12. 3. Технология изготовления пленочных микросхем

Электрические элементы схем, используемые для генерирования, преобразования и передачи сигналов, обычно занимают лишь небольшую долю общего веса и объема аппаратуры, хотя и выполняют основную функцию радиоприбора.

Для оценки электронных цепей вводится понятие «объемный коэффициент качества», или «коэффициент использования объема». Это — отношение объема элементов, воздействующих на сигнал, к объему всего прибора. Для обычной технологии характерны малые значения коэффициента использования объема. Разработка микросхем была связана именно с повышением коэффициента использования объема.

Как уже говорилось, пассивные элементы микросхем могут быть получены осаждением в вакууме проводящих, резистивных, магнитных и диэлектрических пленок. Техника нанесения пленок позволяет получить элементы, эквивалентные по параметрам любым из существующих обычных элементов, за исключением больших индуктивностей. В то же время могут быть созданы элементы с распределенными параметрами, обладающие новыми свойствами.

Хуже обстоит дело с активными элементами микросхем. Естественным кажется использование полупроводниковых приборов. Однако, хотя методом осаждения и получены единичные кристаллы кремния, на практике такие полупроводники еще широко не используются.

В связи с созданием новой технологии в электронном производстве появился новый для него термин «морфология», описывающий метод «монтажа» микросхем, в котором большую роль играет форма элементов схемы.

Существенную часть конструирования составляет выбор материалов. В качестве подложки, которая большей частью служит основой для нанесения пленок, обычно используют диэлектрики, например стекло, кварц, титанах бария, некоторые пластмассы, окись алюминия и др. В отдельных случаях, если подложка участвует в обработке сигнала, она изготовляется из металла.

Материал для резистивных пленок выбирают в зависимости от требуемой величины сопротивления. Они могут быть из теллура или из высокоомного сплава типа нихрома. Линейные размеры определяются удельным сопротивлением пленки, ее формой и толщиной. Площадь поверхности резистора зависит от его мощности и от заданной величины параллельной ему распределенной емкости. Емкость определяется площадью токопроводящих пленок, толщиной изоляционной прослойки (обычно подложки) и ее диэлектрической постоянной.

Определением материалов, формы и толщины пленок, участвующих в схеме, а также их взаимного расположения заканчивается разработка морфологии микросхемы.

Следующим этапом является нанесение пленок. Участки подложки, покрываемые пленкой, ограничивают либо теневыми масками, либо масками, наносимыми в виде специального покрытия с помощью трафаретов. Теневые маски изготовляют из металла или изолирующего материала. Маскирующие покрытия наносят специальной краской, закрывающей те части подложки, которые не должны быть покрыты пленкой. После осаждения пленки маскирующее покрытие смывают. Способ теневой маски проще, чем способ маскирующего покрытия.

Монтаж микросхемы удобно начинать с осаждения проводящей пленки. Затем наносят резистивную пленку, края которой для создания электрического контакта должны частично захватывать края проводящей пленки. Таким образом, границы поверхности резистора определяются положением краев проводящей пленки.

Так как проводящая пленка наносится первой, образуя выводные контакты, то возможен контроль величины сопротивления в процессе осаждения.

Последним этапом в изготовлении пленочных микросхем является их защита. Микросхемы заключают в сборный или литой корпус или заливают компаундом.

В качестве примера последовательности изготовления микросхемы может быть рассмотрен генератор, электрическая схема которого показана на рис. 12.11. В качестве подложки, выполняющей одновременно функции диэлектрика для конденсатора и изолирующей основы, — для остальной части схемы выбирают материал с высокой диэлектрической проницаемостью. Подложка в данном случае выполнена в виде диска, но возможны и другие формы.

Рис. 12.11. Схема генератора:

а — обычное исполнение; б — микросхемное исполнение

Морфология микросхемы показана на рис. 11.12. На верхнюю сторону подложки наносят резистор в форме разомкнутого кольца. Он представляет собою комплекс всех резисторов схемы. В нескольких местах под пленку помещают проводящие полоски, являющиеся отводами. На часть нижней стороны подложки, расположенную под одной из секций резистора, наносят проводящую пленку, которая выполняет функции заземленного элемента схемы.

Рис. 12.12. Морфология микросхемы генератора:

а - резистивная пленка; б - проводящая пленка; в - сборка пассивной схемы; г — генератор в сборке

Для нанесения всех этих пленок используют маски. Подложку с маской помещают в вакуумную камеру. Пленка наносится в три приема: проводящую пленку осаждают с обеих сторон, а резистивную — с одной стороны подложки. Затем подложку вынимают из камеры и снимают маску. После этого присоединяют транзистор. Диаметр подложки 22 мм, толщина 0,5 мм. Эквивалентная плотность монтажа (включая транзистор) составляет 40 тыс. деталей в 1 дм³ Прибор весит 1,4 г без корпуса и 4 г с корпусом.

Описанные способы выполнения микросхем представляют собой лишь первый шаг на пути создания новой тонкопленочной технологии. В настоящее время разрабатывают ионную пушку по типу электронной. Предполагается, что осаждение будет осуществляться с программным управлением траекторией отклонения ионного пучка, который будет как бы «вычерчивать» заданную схему.

Способом испарения в вакууме могут быть получены элементы схем с распределенными параметрами. Разработаны пассивные четырехполюсники с распределенными резисторами и емкостями. Из этих четырехполюсников могут быть созданы функциональные схемы, которые невозможно выполнить из ограниченного числа обычных элементов.

На рис. 12.13. показана структура некоторых RC цепей в виде четырехполюсников с распределенными параметрами, выполненных методом микросхем. Такой четырехполюсник состоит из подложки, изготовленной из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, и нанесенных на нее пленок: резистивной с одной стороны подложки и проводящей — с другой. Проводящие пленки А, В, F и С образуют входные и выходные контакты. Четырехполюсники а и б характеризуются равномерным сопротивлением и равномерной емкостью на единицу площади. Они эквивалентны линии передачи с постоянным волновым сопротивлением. Четырехполюсники в и г, сопротивление и емкость которых переменны, аналогичны линии с переменным волновым сопротивлением.

Характеристики четырехполюсника с распределенными параметрами регулируют, изменяя форму нанесенных пленок, сопротивление резистивной пленки, емкость на единицу поверхности между проводящей и резистивной пленками и расположением выводов на последней. Сопротивление резистивной пленки регулируют, изменяя ее толщину, а емкость на единицу поверхности — варьируя толщину подложки либо форму и расположение проводящей пленки по отношению к резистивной.

Рис. 12.13. Четырехполюсники с распределенными постоянными:

а — простой RC; б — простой RR; в — линейно изменяющийся RC; г — экспоненциально изменяющийся RC

Индуктивности больших значений трудно изготовлять методом тонких пленок, и это снижает диапазон использования тонкопленочной технологии. Однако уже найдены способы введения в схему эквивалента сосредоточенной индуктивности, получаемого путем сочетания емкости активных элементов и обратной связи. Малые индуктивности, как показано выше, изготовляют осаждением проводящих и магнитных пленок соответствующей конфигурации.

Расчет четырехполюсников с распределенными параметрами ограничивают определением характеристик установившегося режима и сводят к нахождению величины полного сопротивления Z в операторной форме. С помощью величины Z четырехполюсник по отношению к внешней цепи может характеризоваться минимальным количеством независимых параметров.

Способы изготовления тонких пленок весьма разнообразны и приведены в табл. 12.3.

Рассмотрим основные методы.

Термическое испарение в вакууме

Получение пленок термическим испарением в вакууме состоит из испарения вещества и последующей конденсации его паров на подложке. Для того чтобы атом поверхностного слоя вещества мог испариться с поверхности, он должен обладать достаточной энергией, за счет которой он может преодолеть силы, удерживающие его на поверхности. Эту энергию активации атом получает за счет тепловой энергии, подводимой к испаряемому веществу.

Таблица 12.3

Методы получения тонких пленок

Термическое испарение в вакууме	Резистивное испарение Испарение электровакуумной дугой Испарение электронной бомбардировкой Испарение лазерным лучом
Распыление бомбардировкой ионами	Катодное распыление Катодное распыление со смещением Катодное распыление с питанием электродов асимметричным переменным напряжением Геттерное катодное распыление Электрохимическое катодное распыление Реактивное распыление Ионно-плазменное распыление (триодная схема распыления) Катодное распыление с изоляцией испаряемого материала тлеющим разрядом
Вжигание
Химическое осаждение
Электрохимическое осаждение
Термохимическое разложение
Разбрызгивание
Диффузия при высоких температурах
Газопламенное распыление
Окунание

Быстрое испарение металлов и сплавов в вакууме происходит при достижении ими температуры, соответствующей давлению паров порядка 10^-2 мм рт. ст.

Зависимость давления паров от температуры описывается уравнением

, (12.1)

где Р — давление насыщенного пара, мм рт. ст.;

Т — абсолютная температура, ° К;

А, В, С — постоянные эмпирические коэффициенты.

Скорость испарения, т. е. количество материала, испаряемого в 1 сек с 1 см² поверхности испарителя, определяется из уравнения (16-2):

, (12.2)

где v — скорость испарения, г/см²сек;

М — молекулярный вес, г;

Т — абсолютная температура, ° К.

Пленки некоторых металлов, например, хрома, магния, родия, могут быть получены испарением из твердого состояния (сублимацией), но в большинстве случаев нанесению испарением предшествует плавление металла. Металлы в парообразном состоянии, за исключением сурьмы, являются одноатомными.

Рассмотрим некоторые закономерности, которым подчиняются испаренные атомы.

Согласно кинетической теории газов длина свободного пробега молекул , определяется из уравнения

, (12.3)

где  — эффективный диаметр молекул, см;

m — масса молекул;

с — средняя квадратичная скорость молекул.

Прямолинейное движение атомов и молекул в вакууме (без столкновений и рассеяний) происходит при условии, когда

  d, (12.4)

где d — расстояние между испарителем и приемной поверхностью. При выполнении условия, описываемого неравенством (16-4), на поток посторонних частиц (молекулярный) распространяются законы геометрической оптики Ламберта, которые в приложении к движению молекулярных потоков носят название законов Кнудсена и формулируются следующим образом:

1. Интенсивность излучения частиц с поверхности испарителя под углом  к нормали этой поверхности пропорциональна cos .

2. Число атомов металла, достигающих единицы приемной поверхности в секунду при точечном испарителе, обратно пропорционально квадрату расстояния от испарителя до подложки.

После испарения металла его необходимо сконденсировать на приемной поверхности. Конденсация — это процесс перехода металла из парообразной фазы в твердую или жидкую.

При выборе режима испарения и конденсации, а также при вычислении толщины слоя необходимо знать количество испаренных металлических атомов, которые образуют тонкую пленку испаренного вещества, а также скорость конденсации, определяемую уравнением

, (12.5)

где v₁ — скорость конденсации молекул;

п — число молекул, ударяющихся в единицу времени о поверхность подложки;

α — коэффициент аккомодации, представляющий собой отношение числа молекул, фактически сконденсировавшихся на поверхности в единицу времени, к числу молекул, ударившихся о поверхность за то же время.

Известно, что для каждого вещества существует критическая температура поверхности подложки, выше которой атомы испаренного металла полностью отражаются от подложки. Эта величина зависит от природы пара, образующего атомный пучок, от природы подложки, степени ее чистоты, а также от интенсивности или плотности падающего атомного пучка.

Теоретическая зависимость критической плотности падающего атомного пучка от температуры подложки описывается уравнением

, (12.6)

где у_к — критическая плотность пучка;

к — постоянная Больцмана;

Т — соответствующая температура поверхности подложки;

и₁ — энергия связи атома, адсорбированного на поверхности, и атома из пучка, вошедшего в дублет;

А — постоянная, зависящая от рода вещества.

Величина u₁ характеризует скорость процесса конденсации. Чем больше и₁ тем больше коэффициент аккомодации конденсирующихся частиц.

При большей плотности пара испарившиеся с подложки атомы схватываются вновь образующимися частицами и, осаждаясь на подложке, совместно образуют ядра конденсации. При увеличении плотности пара критическая температура подложки увеличивается. Изменяя свойства подложки, например, заранее образуя ядра конденсации предварительным нанесением слоев вещества, можно управлять структурой и свойствами получаемой пленки. Поверхностная миграция металлических атомов зависит от материала пленки и подложки. На степень поверхностной миграции оказывают влияние температура подложки и скорость нанесения пленки. Имеет значение также загрязнение подложки и наличие окисного слоя, который может возникнуть в процессе термического испарения между пленкой и подложкой.

Такой окисный слой образуется, например, при нанесении железа и нихрома, чем и объясняется хорошая адгезия этих пленок, например, к стеклу и ситаллу. Пленки из платины, родия, рения и других благородных и тугоплавких металлов, которые не подвержены или слабо подвержены окислению, имеют очень плохую адгезию, поэтому между ними и стеклянной или ситалловой подложкой создают тонкий промежуточный подслой из материала с высокой адгезией.

Рис. 12.14. Схематическое изображение распределения потока испаряемого материала.

Распределение конденсата по приемной поверхности происходит в соответствии с законами Кнудсена для молекулярных потоков, из которых вытекает принципиальная возможность методом термического испарения получить пленки металлов с равномерным распределением по толщине, что чрезвычайно существенно для создания, например, прецизионных переменных резисторов.

На равномерность распределения пленки по поверхности подложки влияет целый ряд факторов, в том числе сама форма приемной поверхности, а также расположение испарителей относительно этой поверхности. Кроме того, существенным является распределение потока пара испаряемого вещества в пространстве: является ли оно равномерным во всех направлениях (в случае точечного источника) или существует какое-либо преимущественное направление. Поэтому для получения равномерной пленки на приемной поверхности весьма существенным представляется выбор конструкции испарителей. Вполне естественно, что выбор определенной конструкции испарителя зависит от целого ряда факторов, связанных с формой испаряемого вещества (порошок, проволока, кристаллы). Рассмотрим наиболее общий случай распределения молекул испаряемого вещества, а именно направленный поверхностный источник. Пусть источником молекул является маленькая плоская площадка с постоянной по ее поверхности температурой.

В соответствии с положениями Кнудсена испарение с такой поверхности равномерно и будет происходить в зависимости от угла испускания паров.

Допустим, что испарение происходит с небольшой плоской площадки. Количество вещества, испаряющегося с этой площадки за 1 сек, равно т, г/сек. Тогда в соответствии с законом косинуса количество вещества, испускаемого в телесном углу d (рис. 12.14) по направлению, образующему угол ср с нормалью, равно:

(12.7)

Если плотность испаряемого вещества равна у, толщина пленки, образовавшейся за единицу времени, равна h, тогда количество вещества, осажденного на площадку dS₁ будет составлять:

dm = yhdS₁. (12.8)

Приравнивая уравнение (16-7) к уравнению (16-8), имеем:

; (12.9)

, (12.10)

откуда

; (12.11)

(12.12)

В случае, если испарение происходит с малой площадки на поверхность, параллельную поверхности излучения (рис. 12.15), то выражение (12.12) ввиду равенства углов  и  можно записать:

Отсюда толщина слоя в точке О (рис. 12.15), так как cos  обращается в единицу, равна:

Толщина слоя в точке R соответственно

(12.13)

Отношение толщин в точке О и в точке R

(12.14)

Нетрудно показать, что точечный источник можно рассматривать р. частный предельный случай поверхностного источника. Анализируя формулу (12.13), можно сказать, что с увеличением расстояния от испарителя до подложки общая толщина пленки уменьшается, но одновременно и уменьшается ее неравномерность по толщине, так как при r  угол 0 и величина cos  1, а следовательно, h_R h_O.

Однако практически выполнить это условие невозможно, поэтому для получения равномерного покрытия нужно выбрать такое взаимное расположение испарителя и подложки, которое обеспечило бы минимальный разброс по толщине и в то же время было технологически выполнимо.

Физико-технические свойства пленок во многом зависят от способа, которым испаряемый материал нагревается до температуры испарения или возгонки. Существующие испарители можно разделить на две группы: испарители с непосредственным нагревом и испарители с косвенным подогревом. В зависимости от способа нагрева испарители подразделяются на резистивные, индукционные и электронные; в зависимости от конструкции — на проволочные, ленточные и тигельные (автотигельные); в зависимости от формы — на точечные, ленточные, кольцевые и другие формы испарителей.

Рис. 12.15. Схематическое изображение распределения испаряемого материала по приемной поверхности, параллельной поверхности испарения

Испарение непосредственным подогревом осуществляется путем разогрева их при пропускании электрического тока. Преимущество такого метода испарения заключается в том, что отсутствуют элементы подогревателя, способные загрязнить наносимую тонкую пленку.

Обычно используют непосредственное испарение с проволоки или системы проволочек. Этот метод успешно применяется для пленок тугоплавких металлов. Между двумя проводниками, изготовленными из напыляемого металла, создают точечный контакт и нагревают этот контакт током достаточной величины. В месте соединения образуются расплав металла и испарение его, тогда как другие участки проводника имеют температуру ниже точки плавления. Таким способом были получены пленки вольфрама, молибдена и тантала хорошего качества.

Существует способ получения тонких пленок тугоплавких металлов при помощи электровакуумной дуги. В этом случае электроды из испаряемого металла монтируются на изолированном основании.

От обычного сварочного генератора на электроды подается напряжение. Подвижный электрод соприкасают с неподвижными для зажигания дуги, а затем отводят обратно. Дуга гасится выключением сварочного генератора. Во время возникновения дуги на подложку напыляется пленка из материала электрода.

Методом электровакуумной дуги были получены пленки из ниобия, тантала, ванадия и других металлов.

При испарении с косвенным подогревом испаряемое вещество разогревается специальными подогревателями, выбор материала которых в основном определяется следующими требованиями:

1. Давление пара материала подогревателя должно быть пренебрежимо малым при рабочих температурах испарения.

2. Испаряемый материал в расплавленном состоянии должен хорошо смачивать материал подогревателя, обеспечивая хороший тепловой контакт.

3. Не должно происходить никаких химических реакций между материалом подогревателя и испаряемым металлом, а также не должны образовываться сплавы между этими веществами.

Возможность загрязнения испаряемого вещества материалом подогревателя является одним из основных недостатков этого метода. Степень загрязнения возрастает при испарении металлов с высокой температурой испарения. Практически в технике тонкопленочных покрытий применяются главным образом вольфрамовые проволочные подогреватели; большое распространение получили подогреватели из молибдена и тантала. Испарители с косвенным подогревом могут быть проволочные и ленточные (изготовленные из листового материала). При небольших количествах испаряемого металла и при условии, что испаряемый металл смачивает материал подогревателя, применяются V-образные, W-образные, волнообразные и спиральные испарители, на которые насаживается испаряемый материал в виде загнутых кусочков проволок или полосок листового материала.

Испарители V- и W-образной, волнообразной и спиральной формы хорошо противостоят вибрации, характеризуются однородным испарением, при их использовании легко осуществляется температурная компенсация.

При испарении хрома, кадмия и некоторых других металлов применяют способ, состоящий в предварительном гальваническом покрытии испаряемым металлом тщательно протравленной поверхности подогревателя.

Гальваническое покрытие улучшает тепловой контакт между испаряемым веществом и подогревателем и облегчает процесс испарения.

Для испарения больших количеств металла и порошкообразных материалов применяют испарители в виде лодочек или тиглей, подогреваемых электрическим током. Чашечки (тигли) изготавливают из листового тантала, вольфрама, молибдена, платины. Для испарения металлов с высокой точкой плавления применяются тигли из алунда, окиси циркония, окиси бериллия, внутри которых расположена вольфрамовая проволочная спираль. Такие тигли используют для испарения металлов с точкой плавления до 1 600-1 750° С.

Для испарения металлов при температуре порядка 2 200° С применяют массивные тигли из окиси тория.

Для еще более высоких температур испарения в качестве материала для испарителей применяется графит.

Однако при этом необходимо учитывать, что при высоких температурах многие металлы, например алюминий, реагируют с углеродом, образуя карбиды. Недостатком графитовых тиглей является также их способность легко поглощать газы, что осложняет их технологическую обработку в вакууме.

Интерес представляет высокочастотный метод испарения металлов. При этом способе исключается контакт испаряемого вещества с материалом тигля.

Поле высокой частоты плавит испаряемый металл во взвешенном состоянии. Капля полученного расплавленного металла остается во взвешенном состоянии в течение всего процесса испарения. Таким образом удалось получить пленки алюминия, серебра, титана, кобальта, железа, меди.

Новейшим методом испарения является метод нагрева при помощи фокусированного излучения лазера, находящегося вне вакуумной камеры. Лазером легко испарять тугоплавкие металлы, кроме того, при помощи лазерного луча можно разогреть только небольшую часть испаряемого вещества, в то время как тигель, в котором это вещество расположено, остается холодным. Таким образом исключается загрязнение, вносимое в пленку при использовании обычных испарителей с косвенным подогревом.

Наиболее эффективным способом термического испарения материала является метод электронной бомбардировки. Электронный испаритель построен по принципу обычной электронной пушки, применяемой в электроннолучевых установках. Электроны, испускаемые накаленным катодом, фокусируются с помощью специального устройства, и пучок, обладающий высокой концентрацией энергии (порядка 5 -10⁸ вт/см²), направляется на испаряемый материал. В большинстве случаев испарение ведется из жидкой фазы, в отдельных случаях возможно испарение и из твердой фазы (сублимация).

Испарители, использующие нагрев электронным пучком, получили широкое распространение, так как с их помощью удается испарять самые тугоплавкие металлы. Кроме того, нагрев электронной бомбардировкой дает возможность избежать непосредственного контакта расплавленного испаряемого вещества с материалом тигля. Чаще всего материал помещают в тигель, все время охлаждаемый проточной водой, так что вся масса металла не может расплавиться, тогда как небольшой участок, на котором сосредоточен электронный пучок, служит источником незагрязняемых примесями паров металла, и, таким образом, удается исключить один из источников загрязнения пленок.

Испарение из жидкого состояния, помимо испарения из охлаждаемого тигля, возможно путем электронной бомбардировки вершины проволоки, прутка или штабика из испаряемого материала. Расплавленный материал собирается в каплю под действием сил поверхностного натяжения и не контактирует ни с каким поддерживающим приспособлением, поэтому загрязнения практически устраняются. Теплопроводность испаряемого металла должна быть достаточно высокой, чтобы предотвратить увеличение размера жидкой капли до величины, когда поверхностное натяжение не в состоянии удержать ее на торце материала.

Испарение из твердой фазы осуществляется прогревом испаряемого материала расфокусированным электронным пучком до температур, не превышающих температуру плавления испаряемого материала. В этом случае возможна регулировка скоростей испарения в весьма широком интервале.

К достоинствам метода нужно отнести получение пленок большой чистоты и однородного состава. Метод позволяет легко контролировать и регулировать как мощность нагревания, так и скорость напыления.

Другим важным фактором для получения высококачественных прочных, например резистивных, пленок путем термического испарения является тщательная предварительная очистка покрываемой поверхности. Величина адгезии пленки к поверхности подложки и микроструктура пленки определяют надежность работы покрытия.

Катодное распыление

Сущность процесса катодного распыления сводится к использованию давно замеченного характерного для тлеющего разряда явления разрушения катода под действием бомбардировки его ионизированными атомами инертного газа.

Распыляемость вещества ионами обычно характеризуется коэффициентом катодного распыления, который равен числу атомов, распыляемых под действием одного иона.

Коэффициент катодного распыления зависит от очень многих параметров: от угла падения, атомного номера, энергии и массы бомбардирующих ионов, атомного номера распыляемого вещества, теплоты возгонки этого вещества, плотности тока ионов, давления остаточных газов и т. п.

Следующая формула позволяет вычислить коэффициент катодного распыления:

, (12.15)

где S — коэффициент катодного распыления, атомов/ион;

6,0210²³ — постоянная Авогадро, моль^-1;

т — вес распыленного вещества, г;

Z_e — заряд иона, к;

I — ток ионов, a;

t — длительность бомбардировки, сек;

А — атомный вес вещества, г.

В настоящее время наиболее правдоподобным является объяснение теории катодного распыления импульсным механизмом. Положительный ион газа, ударившись о катод, не выбивает атом из металла, а лишь приводит его в колебание около положения равновесия. Возмущение, вызванное ионом, передается вдоль плотно упакованных атомных рядов кристаллической решетки, причем некоторая часть энергии распространяющихся волн направлена к поверхности металла. В результате этого поверхностный атом получает энергию от соседнего атома, принадлежавшего к плотно упакованному ряду. Если энергия, полученная поверхностным атомом, превзойдет энергию связи, то этот атом покидает поверхность металла. Такое разрушение происходит по всей поверхности катода, покрытой разрядом, и осуществляется при давлении газа от 1 до 10^-2 мм рт. ст.

Отличительным признаком тлеющего разряда является распределение потенциала в газе, характеризуемое катодным падением, т. е. изменением потенциала на несколько сотен вольт на расстоянии от катода до области разряда, называемой областью отрицательного тлеющего свечения. Это распределение потенциала обусловлено типичным для тлеющего разряда расположением пространственных зарядов. Оно сопровождается характерным внешним видом разряда, как бы распадающегося на несколько частиц.

Нетрудно показать, что для поддержания разряда важны процессы» ионизации в темном катодном пространстве, а положительный столб выполняет функцию пути проводимости между анодом и областью отрицательного свечения.

Рассмотрим некоторые закономерности, характерные для катодного распыления. Зависимость количества распыленного вещества Q от давления газа и расстояния до приемной поверхности описывается уравнением

, (12.16)

где d — расстояние от катода до приемной поверхности;

р — давление газа;

к₁ — постоянная.

Как известно, критическая величина катодного падения потенциала приблизительно равна 500 в, ниже этой величины катодное распыление происходит чрезвычайно медленно. При катодном падении больше критического количество распыляемого вещества пропорционально разности между этим катодным падением и значением критического катодного падения. Тогда количество распыленного вещества

, (12.17)

где и — разность между катодным падением и величиной критического катодного падения.

Кроме того, количество распыленного вещества при прочих равных условиях пропорционально току I. Таким образом, уравнение (12.-17) можно записать в следующем виде:

(12.18)

Существенным фактором, увеличивающим интенсивность ка тодного распыления, является применение газов с большим молекулярным весом, так как при одинаковых условиях раз ряда более тяжелому иону легче выбить атом с поверхности катода.

Конденсация распыленного металла на подложке при наличии тлеющего разряда не ограничивается критической плотностью атомного пучка. Это объясняется удалением адсорбированных молекул газа ионной бомбардировкой, в результате чего создаются более благоприятные условия для миграции атомов металла по подложке, которые заполняют чистые места на поверхности и создают центры кристаллизации.

При катодном распылении может происходить реакция между освобожденными атомами металла и следами активного кислорода в остаточной атмосфере, что также может влиять на явления осаждения. Если образуются молекулы окисей металлов, то они обладают большим сродством к стеклу, чем чистый металл. Такие молекулы могут служить центрами конденсации металла.

До последнего времени считалось, что распределение распыленных частиц по направлению при катодном распылении подчиняется закону косинуса.

Однако в последнее время установлены отклонения в распределении распыленных частиц от закона косинуса и зависимость коэффициента распыления от кристаллографического направления. Эти факторы могут существенно затруднить получение металлических пленок с равномерным распределением конденсата по толщине. Экспериментально установлено, что постоянная скорость распыления может поддерживаться при прочих равных условиях только при постоянном давлении рабочего газа и температуре катода. В условиях производства выполнение этих требований может вызвать серьезные затруднения, а следовательно, и трудности в получении пленок с воспроизводимыми параметрами.

Практически в качестве катода в большинстве случаев используется диск распыляемого материала либо диск, покрытый распыляемым материалом. Анодом обычно служат металлические части откачной установки или стержни из железа или алюминия.

На расстоянии 1—5 см от катода и параллельно ему укрепляется подложка, на которой нужно получить пленку распыляемого материала.

Приведенные в зарубежной литературе данные о наиболее целесообразных размерах катода, его расстоянии от напыляемого слоя, а также применяемых давлениях газа, напряжении и токе сильно расходятся. Обычно величина применяемых напряжений лежит в интервале от 1 000 до 3 000 в.

Давление газа подбирается таким образом, чтобы в пределах от 1 до 0,5 мм темное катодное пространство занимало не менее половины и не более двух третей расстояния между катодом и подложкой. Существуют различные точки зрения на наилучшие условия проведения опыта, однако в основном все эти различия обусловлены недостаточной изученностью этих явлений.

Далее существенным недостатком получаемых пленок является неизбежное присутствие в них рабочего газа. Молекулы газа, химически активированные тлеющим разрядом, интенсивно адсорбируются частицами металла. Это обстоятельство вызывает сильное отклонение как в структуре, так и в свойствах получаемых пленок.

Рассмотрим некоторые разновидности катодного распыления.

Одной из разновидностей метода катодного распыления является метод распыления со смещением. Обычно при катодном распылении подложка, на которую конденсируется пленка распыляемого металла, находится под потенциалом анода. В случае катодного распыления со смещением подложка изолируется от анода и на нее подается отрицательное напряжение порядка —50  —300 в. При возникновении тлеющего разряда в цепи катод — анод часть ионов со сравнительно малой энергией бомбардирует напыляемую пленку, непрерывно вызывая десорбцию атомов газа, адсорбируемых конденсирующейся пленкой, за счет этого процесса получаемые пленки обладают большей чистотой и воспроизводимостью свойств, чем при катодном распылении. Вариантом катодного распыления со смещением является распыление асимметричным переменным током. В этом случае между катодом и анодом прикладывается переменное асимметричное напряжение таким образом, что в один полупериод, когда анод положителен по отношению к катоду, оно равно напряжению распыления, а в другой полупериод, когда катод положителен по отношению к аноду, напряжение между катодом и анодом равно приблизительно 0,1 от напряжения распыления. В первый полупериод происходит распыление катода, во второй полупериод ионы бомбардируют подложку с напыляемой пленкой, установленной на аноде, и очищают от адсорбированных атомов газа. Чистоту пленок, получаемых различными методами катодного распыления, можно значительно улучшить, применив геттерную очистку инертного газа перед поступлением его в пространство разряда между катодом и подложкой, в котором производится напыление пленки.

Ионно-плазменное распыление заключается в следующем: в вакуумной камере собирается триодная система из подогревного катода, анода и электрода-мишени, источника атомов распыляемого материала. Подложка, на которой необходимо получить пленку, устанавливается напротив электрода-мишени. Камера откачивается до давления около 110^-6—510^-6 мм рт. ст., после чего включают нагрев подложки и производят ее термическую очистку. Далее на подложке устанавливают заданную температуру, обеспечив наилучшие условия конденсации. Одновременно с операцией термической очистки подложки производится обезгаживание катода, после чего на нем устанавливается температура, достаточная для получения термоэмиссионного тока в несколько ампер на квадратный сантиметр. Между катодом и анодом прикладывается напряжение, в цепи катод — анод возникает ток. В камеру через специальное дозирующее устройство подается инертный газ при давлении около 110^-3—510^-4 мм рт. ст. При достаточно большом термоэмиссионном токе зажигается дуговой разряд. После возникновения дуги ток в ней возрастает, а напряжение на аноде падает до 60 в или меньше.

В этот период подложка бомбардируется ионами, которые удаляют загрязнения, оставшиеся после химической и термической очисток. После очистки подложки ионной бомбардировкой, время которой выбирается экспериментально, к электроду-мишени прикладывается отрицательный потенциал, извлекающий положительные ионы из разряда, которые затем бомбардируют мишень, выбивая из ее поверхности атомы, движущиеся в основном перпендикулярно к поверхности мишени и конденсирующиеся на подложке. К преимуществам данного метода, кроме описанных ранее преимуществ метода катодного распыления, нужно отнести возможность одновременного распыления металлов, значительно отличающихся друг от друга по физико-химическим свойствам. Некоторые сплавы (нихром, константан) распыляются без изменения состава распыленного материала.

Сложные пленки, состоящие из нескольких компонентов, могут получаться в результате распыления нескольких независимых мишеней с различными скоростями. Возможно испарение как полупроводников, так и полупроводниковых соединений. Чистота получающихся пленок значительно выше, так как рабочее давление в несколько десятков раз ниже, чем при распылении в тлеющем разряде, расстояние между мишенью и подложкой может быть сделано меньше длины свободного пробега атомов распыляемого металла, а следовательно, будет значительно уменьшено загрязнение пленки остаточными газами. Адгезия пленки, полученной методом ионно-плазменного напыления, очень высокая за счет лучшей очистки ионной бомбардировкой, которую не удается осуществить при катодном распылении, так как распыление начинается сразу же после возникновения разряда.

В случае катодного распыления с ионизацией распыляемого материала обычная система диода с тлеющим разрядом и катодом из распыляемого материала изменяется следующим образом: вводится дополнительный электрод, обеспечивающий термическое испарение атомов распыляемого материала. В этом случае катод служит подложкой, на которой получают металлическую пленку. Процесс в этом случае отличается от обычного катодного распыления тем, что часть атомов, возникающих при термическом испарении электрода, ионизируется в тлеющем разряде и направляется к катоду высоковольтной системы, на которой и происходит конденсация. Скорость напыления материала на подложку является функцией скорости термического испарения, степени ионизации и геометрии системы. Степень ионизации материала в основном зависит от плотности тока и ускоряющего потенциала.

Существенным недостатком данного метода является распыление осажденного материала пленки за счет бомбардировки ионами инертного газа. Прочие недостатки характерны для обычного катодного распыления. К преимуществам нужно отнести улучшение адгезии получаемой пленки к подложке за счет повышения энергии осаждаемых частиц. В этом случае кинетическая энергия частиц напыляемого материала может превысить энергию распыления атомов в 100 раз и более.

Некоторые другие методы нанесения тонких пленок

Получение тонких пленок с помощь го химических реакций. Помимо получения тонких пленок методом термического испарения в вакууме и распыления материала бомбардировкой ионами, существуют способы получения пленок из газовой фазы с помощью химических реакций. Эти способы применяются в основном для получения пленок из материалов с различными типами проводимости. Отличительной чертой получения пленок из газовой фазы является сравнительная легкость управления процессом кристаллизации, а также возможность легирования получаемых пленок в процессе их образования.

Создавая определенные условия в зоне осаждения и подбирая соответствующее соотношение реагентов, можно добиться ориентированного наращивания образующихся слоев на подложке, получения так называемых эпитаксиальных пленок или в случае применения в качестве подложки монокристалла получаемого вещества — автоэпитаксиальных пленок.

Получение пленок из газовой фазы может быть осуществлено в основном следующим образом: водородным восстановлением хлоридов элементов, пленки которых хотят получить, или термическим разложением их гидридов или иодидов. Реакции водородного восстановления хлоридов в общем виде описываются следующим уравнением:

МеС1₄ + 2Н₂  Ме + 4НС1.

В основном хлоридная технология применяется для получения эпитаксиальных пленок кремния и германия, наращенных на их монокристалл, причем, применяя различные легирующие добавки, можно получать на одной подложке слои п- и р-типа проводимости. Реакции термического разложения гидридов или иодидов могут быть записаны следующим образом:

MeJ₄  Me + 2J₂;

МеН₄  Me +2Н₂.

Процесс разложения иодидов основан на том, что равновесие реакции с понижением температуры смещается вправо, т. е. образование иодида происходит при более высокой температуре, чем его разложение. Таким образом, создавая в реакционном пространстве две температурные зоны (так называемый «замкнутый процесс»), можно в более холодной зоне получать чистый металл, т. е. будет происходить транспорт вещества из более горячей зоны в более холодную. Эта технология в настоящее время практически не применяется для получения пассивных элементов тонкопленочных микросхем, хотя в перспективе является очень заманчивой вследствие сравнительно низких температур (t = 500° С), позволяющих получать очень чистые пленки с любым заданным распределением примесей. Методы термического разложения иодидов в настоящее время с большим успехом применяются для глубокой очистки металлов.

Другим способом получения тонких металлических пленок является разложение гидридов металлов (в основном GeH₄ и SiH₄), позволяющее получить при создании тонкопленочных элементов микросхем очень четкие р-п переходы. Однако большая взрывоопасность гидридов существенно ограничивает дальнейшие разработки этой технологии.

Получение тонких слоев с помощью химических реакций для резисторов в настоящее время, по-видимому, не представляется возможным вследствие трудности контроля за сопротивлением растущей пленки в процессе ее образования.

Вжигание. Для получения металлических слоев, прочно связанных с подложкой, применяется метод вжигания, сущность которого сводится к следующему: измельченный металл в смеси с флюсом и связующим веществом наносят на поверхность подложки и подвергают затем нагреванию до температуры, при которой органическая связка выгорает, и металл с помощью флюса прочно сцепляется с подложкой. Таким образом, обычно получают пленки серебра, платины, золота, родия и палладия.

В восстановительной атмосфере или в вакууме методом вжигания можно получать пленки других металлов, например никеля, качество которых будет определяться режимом процесса и составом применяемых паст. В качестве связующего вещества используют скипидар и канифоль, а для получения более чистых слоев — глицерин. Флюс состоит из 79,4% РbО, 15,7% Н₃В0₈ и 4,9% SiO₂. Приготовленную пасту кисточкой, по возможности равномерно, наносят на подложку, после чего производят вжигание. Для прочной связи наносимого слоя с подложкой необходимо, чтобы детали были нагреты не ниже чем до 450° С, что соответственно требует применения достаточно термостойких подложек.

Естественно, что получение этим методом однородных пленок малых толщин (100 А) практически невозможно.

Химическое осаждение. Сущность метода сводится к осаждению металлической пленки на поверхности подложки, помещенной в раствор соли данного металла, в результате реакции окисления-восстановления. Таким способом можно наносить пленки серебра, никеля и меди. Однако возможности применения этого метода сильно сужены из-за трудности получения пленок, обладающих достаточной адгезией к подложке, а также сильной зависимости воспроизводимости результатов от строгого поддержания постоянства концентраций и процентного соотношения компонентов смеси.

Электрохимическое осаждение. Метод осаждения металлов путем электролиза применяется давно и в настоящее время достаточно хорошо изучен. Однако то обстоятельство, что для ведения процесса необходимо иметь проводящую подложку, обычно ограничивает применение этого метода. Электрохимически можно получать слои серебра, золота, родия, иридия, меди, никеля и др.

Недостатки метода в основном те же, что и для метода химического осаждения, и, кроме того, получение равномерных слоев на деталях сложной формы невозможно вследствие краевых эффектов.

Разбрызгивание. Сущность метода состоит в том, что металл распыляют в электрической дуге и, используя в качестве носителя струю сжатого воздуха, осаждают на поверхности подложки, расположенной на пути этой струи.

Аналогичным методом получения пленок является метод газопламенного распыления, отличающийся в сущности лишь тем, что расплавление материала, из которого хотят получить пленку, происходит в пламени газовой горелки с последующим осаждением в виде слоя на подложке.

Вполне понятно, что получение тонких и однородных по толщине пленок этим методом невозможно.

Диффузия при высоких температурах. С помощью этого метода можно получать слои различных металлов как на металлических, так и на неметаллических поверхностях. Сущность метода заключается в том, Что подложку помещают в замкнутый объем вместе с порошком того металла, из которого хотят получить пленку, и подвергают нагреванию до высоких температур. Однако процесс диффузии крайне медленный процесс, который растягивается на несколько десятков часов для получения пленок в несколько микрон.

Следует отметить, что получение достаточно тонких пленок с воспроизводимыми параметрами описанными выше методами (кроме химических методов получения) не представляется возможным, поэтому более подробный анализ целесообразно проводить лишь для двух методов: термического испарения в вакууме и катодного распыления.

Сравнительная оценка методов термического испарения и катодного распыления

Каждый из описанных выше методов нанесения тонких пленок имеет свои преимущества и недостатки. Сравним некоторые физико-технические свойства тонких пленок и возможности контроля основных технологических параметров, влияющих на эти свойства. Одним из основных параметров при нанесении тонких пленок является скорость испарения. Как известно, в зависимости от скорости испарения структура получаемых пленок может изменяться в широких пределах, так, при больших скоростях осаждения образуются более крупные кристаллы, чем при медленной конденсации. Соответственно пленки, полученные быстро, в большинстве случаев имеют структуру и значения плотности, более близкие к структуре плотности массивного металла. Кроме того, в зависимости от скорости нанесения в большей или меньшей мере будет происходить насыщение пленки остаточными газами, а следовательно, и изменение ее свойств. Отсюда вытекает, что постоянство скорости испарения является необходимым условием для получения пленок с хорошей повторяемостью физико-технических свойств. Из разобранных ранее зависимостей для термического испарения и катодного распыления установлено, что в случае термического испарения скорость в основном является функцией температуры испарителя, а в случае катодного распыления зависит от плотности газа, которая в свою очередь зависит от скорости откачки объема, скорости подачи рабочего газа и величины тлеющего разряда. Кроме того, скорость распыления зависит от температуры катода, напряжения и тока разряда. Таким образом, в случае термического испарения скорость испарения значительно легче контролировать и поддерживать постоянной. Диапазон возможных скоростей при термическом испарении от десятых долей секунды до десятков минут, при катодном распылении он значительно уже. Наибольшие скорости распыления составляют минуты. Распределение атомарного пучка металла по направлениям в случае термического испарения происходит по закону косинуса, а в случае катодного распыления распределение неравномерное с отклонениями от закона косинуса. Следовательно, возможность получения пленки с равномерным распределением по толщине значительно сложнее. Чистота получающейся пленки металла; в случае термического испарения выше, так как процесс проводится в высоком вакууме, от 10^-5 до 10^-10 мм рт. ст., в то время как катодное распыление принципиально должно проводиться в атмосфере газа при давлении 10^-2—10^-1 мм рт. ст., когда скорость адсорбции остаточных газов может оказаться не только равной скорости адсорбции осаждаемого вещества, но и значительно превысить ее. С помощью катодного распыления трудно получить металлические пленки, свободные от окисных загрязнений, если не принять тщательных мер по устранению следов кислорода в атмосфере, в которой производится распыление. Следует отметить, что при использовании новых способов катодного распыления можно получить довольно чистые пленки. Адгезия к подложке в случае катодного распыления лучше, но при тщательной очистке при термическом испарении можно получить хорошие результаты.

При изготовлении резистивных элементов очень важно иметь возможность контролировать в процессе нанесения пленки ход изменения сопротивления и автоматическую отсечку при достижении заданного номинала, в случае термического испарения это требование легко выполняется. Известно большое количество схем, обеспечивающих выполнение этого требования. В случае катодного распыления это осуществить весьма сложно из-за наводок в измерительной цепи, вызываемых газовым разрядом. Контроль толщины в процессе нанесения пленок методом катодного распыления вести сложнее, так как такие методы, как резистивный, кварцевого генератора и некоторые другие, в условиях разряда в газе не могут быть использованы непосредственно.

Нужно отметить, что если до разработки метода термического испарения электронной бомбардировкой тугоплавкие и благородные металлы в основном наносились катодным распылением, то в настоящее время они успешно могут быть нанесены и методом термического испарения.

Помимо всего этого, при прочих равных условиях метод термического испарения не требует сложного оборудования для дозировки и контроля давления рабочего газа. На основании изложенного можно считать наиболее целесообразным применение метода термического испарения для производства тонких пленок и особенно прецизионных металлопленочных резисторов.

Методы очистки подложек

Процесс зарождения тонких пленок при конденсации вещества из паровой фазы в сильной мере зависит от состояния поверхности подложки и в первую очередь от степени ее очистки. Очистка поверхности подложки облегчает возможность введения атомов наносимого вещества непосредственно в область действия сил притяжения атомов к подложке. Состав и характеристики пленки, а также прочность сцепления ее с подложкой зависят не только от чистоты поверхности подложки, но и от состояния поверхности подложки. Перед процессом напыления с поверхности подложки должны быть удалены все посторонние включения, как-то: неорганические загрязнения (инородные частички, абразивы, кислоты, пыль и т. д.), органические загрязнения (жиры, масла, смолы, отпечатки пальцев и т. п.), адсорбированная вода, газы, препятствующие образованию прочной сплошной пленки.

Величина адгезии пленки к поверхности подложки в значительной мере определяет надежность изготовленного тонкопленочного элемента.

Процесс очистки можно разделить на предварительную, которую в свою очередь можно разбить на грубую и тонкую, и окончательную очистку в вакууме, проводимую непосредственно перед напылением.

К предварительным методам очистки относятся: протирка поверхности ватой или бязью (батистом), смоченным в органических растворителях (бензин, спирт, ацетон), всевозможные методы химической обработки: обработка поверхности мелом; активированным углем; термообработка в пламени бунзеновской горелки; обработка в ультразвуковой мойке и т. п.

К более тонкой обработке относится отмывка в холодной и горячей (кипячение) деионизированной или бидистиллированной воде, промывка в органических растворителях, обработка в парах органических растворителей и сушка при повышенной температуре в атмосфере инертных газов в термовакуумном шкафу.

К методам окончательной очистки рабочей поверхности подложки в вакууме перед напылением с целью удаления адсорбированных молекул воды и газа относятся: температурная обработка, обработка в тлеющем разряде, обработка электронной бомбардировкой, расщепление адсорбированных молекул в сильном электрическом поле.

Совокупность способов очистки поверхности подложки выбирается в зависимости от ее материала, состояния поверхности, характера загрязнения и способов хранения. Следует отметить, что процесс очистки требует высокой чистоты применяемых химикатов и определенных навыков в работе.

Из многочисленных методов предварительной очистки в последнее время используются как наиболее эффективные химическая и ультразвуковая, а также их сочетание.

Рассмотрим подробнее методы очистки.

Предварительная очистка подложек. В качестве материала подложек для изготовления микросхем возможно применение стекла, керамики, ситалла и др.

Химическая очистка. Следует отметить, что в настоящее время конкретных данных о химической обработке ситалловых поверхностей в литературе очень мало, а поскольку химизм процессов обработки ситалловых, керамических и стеклянных поверхностей достаточно близок, представляется целесообразным рассмотреть химические методы очистки стекла и керамики.

Из наиболее распространенных химических способов очистки стеклянных поверхностей можно привести следующие:

1. Промывка подложек в едком натре или едком кали с последующей обработкой в концентрированной хромовой смеси, состоящей из двухромовокислого калия, растворенного в концентрированной серной кислоте.

2. Обработка деталей в кипящем растворе хромовой смеси или 1—2%-ном растворе плавиковой кислоты в течение 1—2 мин.

3. Очистка стекла активированным углем. Этот метод заключается в протирке поверхности подложки непосредственно перед внесением в вакуумную камеру порошком активированного угля, нанесенного на чистую фильтровальную бумагу. Остатки порошка снимаются обезжиренной тканью.

4. Очистка подложек кипячением в 5%-ном растворе перекиси водорода в течение 20—30 мин с добавлением NH₃ до рН = 11. Одно из преимуществ этого метода состоит в выделении пузырьков газа, оказывающих сильное механическое воздействие на поверхность подложки, что исключает, по-видимому, необходимость ультразвуковой очистки.

5. Очистка поверхности путем протирки пастой из углекислого кальция с последующей промывкой в 1%-ном растворе NaOH, промывки в 5 % -ном растворе НСl и дистиллированной воде.

В качестве завершающей операции очистки применяют обработку поверхностей подложек в парах органических растворителей, таких, как трихлорэтилен, ацетон, изокриловый спирт. Химикаты применяют особо чистые, часто они дополнительно очищаются путем перегонки. Эта обработка в основном применяется для удаления мономолекулярных слоев воды, углеродов и т. п.

Обработка осуществляется следующим образом:

Подложки, укрепленные в специальной подставке, после промывки в дистиллированном органическом растворителе переносятся в камеру очистки паром, экстрактор.

Подложки выдерживаются в парах органических растворителей несколько минут, пока они не приобретут температуру испарителя. Затем подставка вынимается из камеры, спирт быстро испаряется с поверхности горячей подложки. Подложки, в частности из кварца, стекла, сапфира, после обработки паром обладают весьма большим коэффициентом сухого трения, характеризующим степень очистки подложки, поэтому имеется возможность снизить интенсивность обработки в тлеющем разряде.

В качестве тонкой очистки перед загрузкой в вакуумную камеру можно применять также промывку в деионизированной или дистиллированной воде с последующей тщательной сушкой в течение 20—30 мин в термошкафу при температуре 320 ± 30° С в обеспыленной и очищенной инертной атмосфере, например, азота.

После обработки в термошкафу хранение подложек на воздухе не допускается.

Ультразвуковая очистка. В настоящее время успешно применяется очистка при помощи ультразвуковых колебаний большой интенсивности, воздействующих на детали, погруженные в раствор жидкости.

Под ультразвуковыми колебаниями в акустике понимают такие колебания, частота которых лежит за верхним пределом слышимости человеческого уха, т. е. превосходит примерно 20 кгц; однако в настоящее время в технике используются колебания с частотой ниже 20 кгц; поэтому термин «ультразвуковые колебания» является до некоторой степени условным. Процесс ультразвуковой очистки является результатом действия различных факторов, однако главную роль играет кавитация.

Кавитацией называют процесс образования, роста и захватывания газовых пузырьков в жидкости под воздействием распространяющихся ультразвуковых колебаний. Обязательным условием для возникновения кавитации является существование в жидкости зародышевых микропузырьков, наполненных газом или паром. Такие пузырьки всегда присутствуют в жидкости вследствие тепловых флуктуаций.

Кавитация предпочтительно возникает на жировой поверхности, так как жировая пленка обладает гидрофобными свойствами, т. е. между ней и полярными молекулами воды наблюдается слабое взаимодействие.

Если интенсивность колебаний достаточно велика, то непосредственно у поверхности твердого тела будут происходить кавитационные взрывы. Очень большие мгновенные гидравлические давления, вызванные взрывами, способствуют эмульгированию жировой пленки, удаляют загрязнения с поверхности, а также и из микропор и трещин, а непрерывный поток жидкости удаляет эти частицы.

Существуют разнообразные рецепты растворов, применяемых при ультразвуковой мойке.

Хорошие результаты дает ультразвуковая очистка подложек из керамики, ситалла и стекла, например, в следующем составе: натрий фосфорнокислый трехзамещенный — 10 г, вспомогательное вещество ОП — 7—50 г, вода дистиллированная — до 2 000 мл. Подложки выдерживаются в мойке в течение 2,5 мин при температуре раствора 80—90° С.

После ультразвуковой очистки может производиться дополнительная промывка подложек в холодной и горячей воде, а также кипячение в деионизированной и бидистиллированной воде.

Промывка и кипячение в воде проводятся с целью удаления остаточных продуктов обработки.

Термическая очистка. Наибольший эффект этот способ дает при очистке поверхностей керамических подложек. Он состоит в прокаливании подложек при температуре 550—600° С в электрических нагревательных печах, возможна дополнительно подача кислорода. При накаливании загрязнения, имеющиеся на поверхности керамики, выгорают.

Применяется обработка подложек, например стеклянных, в пламени горелки или также в печи при температуре 400° С. Разработана методика очистки при помощи окислительно-восстановительного отжига. В этом случае органические и солевые загрязнения выжигаются в окислительной атмосфере (воздух или влажный кислород), а затем производится термическая обработка в восстановительной атмосфере.

Итак, были рассмотрены различные методы предварительной подготовки поверхности. Чаще всего процесс предварительной очистки состоит из сочетания нескольких методов и разрабатывается в зависимости от конкретных производственных условий и технических требований.

В настоящее время оценка качества очистки поверхности и соблюдение технологических режимов очистки зависят в основном от опыта и искусства работников. Чтобы сделать процесс очистки воспроизводимым и контролируемым, его необходимо автоматизировать и в первую очередь разработать методы объективного контроля технологических режимов (температура, время обработки, дозировка компонентов и пр.) и качества очистки поверхности.

Кроме того, необходимо также усовершенствовать существующие методы предварительной очистки и разработать новые методы окончательной очистки, разработать эффективные методы контроля чистоты поверхности и создать методы защиты очищенных деталей от повторного загрязнения.

Методы контроля степени очистки поверхности подложек. Одной из самых существенных причин отсутствия воспроизводимости свойств пленок является недостаточная очистка поверхности подложки. Исходя из этого большое значение приобретает контроль степени очистки поверхности.

Методы контроля очистки поверхности являются в настоящее время самым узким местом вследствие множества противоречивых требований, предъявляемых к методам контроля: должно фиксироваться наличие ничтожных следов посторонних веществ порядка 10^-6—10^-10 г/см², метод должен быть достаточно прост и должен занимать незначительное время. При этом детали не должны повреждаться; хотя в настоящее время и разработаны некоторые методы контроля, до сих пор еще нет ни одного серийного прибора, который бы давал объективную оценку степени очистки поверхности.

Методы контроля можно подразделить на визуальные и количественные.

Визуальные методы контроля степени очистки поверхности подложек

К визуальным методам контроля очистки поверхности подложек можно отнести следующие: метод разрыва водной пленки, метод распыления, метод конденсации, метод запотевания.

Метод разрыва водной пленки. Сущность метода состоит в том, что испытуемые детали погружают на короткое время в ванну с дистиллированной водой, а затем вынимают и после стекания избытка воды наблюдают за сплошностью водной пленки на поверхности детали. Разрыв водной пленки свидетельствует о наличии на деталях гидрофобных загрязнений.

Однако доверять полностью результатам контроля очистки поверхности этим методом нельзя, так как он может создавать ложную уверенность в чистоте деталей, хотя фактически они могут быть загрязнены жирами. Ошибки этого метода обусловлены многими причинами. Например, сплошная пленка воды может образовываться и на загрязненных деталях, когда они плохо отмыты от моющих жидкостей, т. е. при наличии на них поверхностно-активных веществ. Молекулы этих веществ адсорбируются на островках гидрофобных загрязнений, а молекулы воды — на последних и на чистой поверхности, и поэтому пленка воды может перекрыть загрязненные участки и оказаться сплошной. Устранить ложную смачиваемость деталей при контроле можно погружением их в слабый раствор кислоты. На точность метода разрыва водной пленки влияет толщина слоя воды, причем чем тоньше слой, тем точнее метод.

Метод распыления. Сущность этого метода состоит в следующем: на испытываемую деталь пульверизатором наносится дистиллированная вода. При этом напыленные капельки воды либо смываются, образуя непрерывную водную пленку, либо остаются разрозненными, в виде «сыпи», если на поверхности присутствуют гидрофобные загрязнения.

Метод конденсации. Метод заключается в том, что испытываемую деталь помещают в пробирку, которую охлаждают погружением в жидкий азот. После извлечения на воздух она быстро покрывается инеем, который начинает таять по мере нагревания детали. Концентрация влаги в отдельные островки или мелкие капли свидетельствует о загрязнении детали, а образование сплошной пленки — о ее чистоте. Осмотр детали чаще всего производится через лупу с 10—15-кратным увеличением.

Метод запотевания. Метод запотевания состоит в том, что подложку обрабатывают струей пара воды. Чистые детали покрываются сплошной пленкой влаги, а загрязненные — отдельными мелкими каплями.

Количественные методы определения степени очистки поверхности

К количественным методам определения степени очистки поверхности относятся:

а) определение степени очистки по краевому углу растекания капли масла;

б) определение чистоты поверхности по коэффициенту сухого трения;

в) определение степени очистки по оптическим константам;

г) определение очистки поверхности по сравнительной оценке электропроводности.

Одним из наиболее совершенных методов количественной оценки степени очистки подложки является определение краевого угла  растекания капли масла, помещенной на испытуемую поверхность.

Для измерения краевого угла промытую подложку укрепляют в держателе, позволяющем помещать ее под объектив микроскопа БМИ в вертикальном положении. На подложку на расстоянии 1—2 мм от края маслодозировкой наносится ряд (5—6 шт.) капель масла. При помощи угломерной головки микроскопа пунктирная линия, наблюдаемая в окуляр микроскопа, совмещается с вершиной капли, имеющей удлиненную чечевицеобразную форму. Фиксируются показания штриховой сетки. Пунктирная линия переводится в положение касательной к капле. Показания опять фиксируются. Разница показаний составляет краевой угол . Краевой угол  зависит от типа используемого масла, но во всех случаях чем лучше очищена поверхность, тем он меньше.

Надо отметить, что при данном способе проверки степени очистки поверхности проверяемую подложку использовать без дополнительной обработки для последующих технологических операций нельзя, так как она загрязнена маслом, поэтому оценка степени очистки ведется на некотором количестве подложек, выборочно.

Величиной, характеризующей степень очистки стеклянной поверхности, является коэффициент трения. Очищенные стеклянные поверхности обладают исключительно высоким коэффициентом трения, причем чем он больше, тем лучше очищена подложка. Коэффициент трения определяется путем измерения силы трения между движущейся с постоянной скоростью стеклянной поверхностью и расположенным под прямым углом к ней стеклянным штабиком. Ленгмюр показал, что наличие мономолекулярной пленки жирной кислоты, адсорбированной на стекле, достаточно для значительного снижения трения.

Другим методом, позволяющим контролировать степень очистки подложек, является метод контроля электропроводности очищающей воды.

Контроль электропроводности очищающей проточной (деионизированной) воды используемой для окончательной промывки подложки, производят до и после промывки. Присутствующие в воде ионы загрязнений с подложки определяют величину электропроводности.

Окончательная очистка подложек перед нанесением на них тонких пленок в вакууме. Если для предварительной очистки подложек используются в основном химические методы, то при окончательной очистке перед нанесением пленок широкое применение нашли физические методы.

В этом случае применяется бомбардировка очищаемой поверхности .потоком заряженных частиц — ионов или электронов, разогнанных предварительно в сильном электрическом поле. Энергия удара потока частиц о поверхность эквивалентна нагреву этой поверхности до 4 000° С, что достаточно для удаления с поверхности всех типов загрязнений. В то же время эта энергия сосредоточена на очень небольшом слое поверхности (менее 1 мк в глубину), а поэтому подложка остается практически неповрежденной. При помощи такой обработки может быть удален наиболее загрязненный мономолекулярный слой поверхности подложки.

Наиболее широкое применение в промышленных напылитель-ных установках нашла очистка в газовом тлеющем разряде.

Очистка подложек в газовом разряде. Наиболее эффективным из существующих в настоящее время методов является очистка в тлеющем газовом разряде при вакууме 10^-1 —10^-3 мм рт. ст. Тлеющий разряд, используемый для очистки подложек, характеризуется сравнительно небольшими токами (15—600 ма) и высоким напряжением (0,7—20 кв).

По внешнему виду тлеющий газовый разряд имеет сложную структуру — чередование темных и светлых полос. При очистке непосредственно используются два участка — это катодное темное пространство и анодный столб. В темном катодном пространстве электроны разгоняются приложенным напряжением до энергий, необходимых для образования положительных ионов при столкновении с молекулами газа. Для тлеющего разряда характерно то, что почти все напряжение, приложенное к разряду, сосредоточивается на темном катодном пространстве. Падения напряжения в положительном столбе почти нет.

Для целей более эффективной очистки желательно использовать аномальный тлеющий разряд, характеризуемый повышенной плотностью тока и большим падением напряжения. Этот режим граничит с областью дугового разряда.

До настоящего времени характер процессов, происходящих при очистке стекла в газовом разряде, слабо изучен. Помимо чисто физических явлений, имеют место сложные химические реакции. Эффективность очистки зависит не только от режима разряда, но и от материала катода, состава остаточных газов, жидкостей, используемых в диффузионных насосах, скорости откачки, материала уплотнений.

В тлеющем разряде подложка подвергается интенсивной бомбардировке ионами, которые расщепляют углеводороды, входящие в состав загрязнений. При этом нелетучие компоненты реагируют с кислородом, содержащимся в среде остаточного газа, и в виде окиси углерода удаляются из рабочего объема установки. Таким образом, при очистке подложек тлеющим разрядом происходят химические реакции, способствующие удалению нелетучих загрязнений, что является достоинством этого метода.

Основной задачей при очистке ионной бомбардировкой в тлеющем разряде является разработка условий, при которых будет устранена бомбардировка поверхности быстрыми электронами. Холлэнд предложил конструкцию, особенностью которой является экранировка электродов. Заземленные плоские экраны защищают стеклянную поверхность от попадания на нее быстрых электронов. Очистка подложки производится хаотично перемещающимися ионами. Сравнение систем с экранированными и неэкранированными электродами показало, что при использовании экранированных электродов обеспечивается лучшее качество очистки стеклянных поверхностей. Электроды должны быть сделаны из материалов, не распыляющихся под действием ионной бомбардировки. Рекомендуется использовать алюминий или молибден.

Очистка электронным пучком. Дюнайе предложил метод очистки поверхности электронной бомбардировкой и предложил для этого аппаратуру. Он помещал мощный вольфрамовый катод рядом с испарителем и использовал держатель подложки в качестве анода. При этом держатель был заземлен, а минус ускоряющего напряжения подавался на изолированный катод.

Диммик усовершенствовал установку, применив электронную пушку для создания сфокусированного электронного луча, сканирующего очищаемую поверхность, однако опыт других исследователей показал, что лучшая очистка происходит расходящимся электронным пучком. Очистка электронной бомбардировкой может быть весьма эффективной, однако существует опасность нарушить структуру очищаемой поверхности. Электронная очистка обладает двумя недостатками, которые ограничивают ее применение:

1. Катод может испаряться во время работы.

2. Пары углеводородов, составляющие часть остаточных газов в вакуумной установке, разлагаются и образуют углеродистые слои на очищаемой поверхности.

Второй недостаток присущ и ионной очистке, но в случае электронной бомбардировки предотвращение таких загрязнений значительно труднее.

Термическая очистка в вакуумной камере. Термическую очистку подложек в вакууме обычно проводят непосредственно перед процессом нанесения пленок (при рабочем вакууме). Нагрев подложек лучше всего производить подогревателем, укрепленным на подложке держателя.

При температуре подложки 200—300° С происходит окончательное удаление молекул воды как с поверхности, так и из приповерхностного слоя подложки. Высокотемпературный вакуумный прогрев эффективен и для удаления газов, адсорбированных в микротрещинах подложки.

Обычно вслед за быстрым удалением большого количества физически адсорбированных подложкой газов идет медленное газовыделение хемсорбированных атомов. Для ускорения этого процесса надо повысить температуру, так как при этом физически адсорбированные атомы частично могут перейти в хемсорбированные и их связь с подложкой только упрочнится.

Влияние температуры на физическую адсорбцию и хемсорбцию газов на поверхности объясняется следующим образом. Число физически адсорбированных молекул газа уменьшается с увеличением температуры, а процесс хемсорбции, требующий энергии активации, протекает быстрее с увеличением температуры.

Дальнейшее повышение температуры приводе к уменьшению числа хемсорбированных атомов, так как вследствие теплового движения их связи с подложкой ослабляются, атомы объединяются в молекулы и испаряются.

Методы измерения толщин тонких пленок

Метод многолучевой интерферометрии (метод полос равной толщины). Наиболее универсальным методом измерения толщины тонких пленок, получаемых конденсацией в вакууме, является метод многолучевой интерферометрии.

Сущность метода заключается в следующем. Пленка, толщину которой надо измерить, наносится на подложку так, чтобы она образовала ступеньку. Для этого при изготовлении пленки часть подложки закрывается маской, имеющей ровный край. При измерении толщины к пластинке с измеряемым слоем сверху прижимается другая стеклянная плоскопараллельная тонкая пластинка так, чтобы между ними образовался воздушный клин (рис. 12.16) с углом ~ 1'. Слишком сильного давления следует избегать, поскольку оно может вызвать изгиб стекол. Столь малое сближение пластин осуществляется с помощью микрометрических винтов, а момент необходимого сближения пластин определяется появлением интерференционных полос в поле зрения микроинтерферометра.

Рис. 12.16. Увеличенное схематическое изображение интерференционных пластин клина

Если осветить клин параллельным монохроматическим пучком света, падающим по нормали к поверхности, то при отражении света от такой системы на поверхности клина образуется интерференционная картина в виде чередующихся темных и светлых полос, параллельных ребру клина. Чтобы избежать ошибки в результате скачка фазы, происходящего при отражении на границе раздела двух сред и сдвига фазы за счет различия оптических свойств поверхности пленки и подложки, на внутренние поверхности пластин, образующих клин, необходимо нанести слой серебра или алюминия, причем на верхнюю стеклянную пластину клина путем конденсации в вакууме наносится полупрозрачный слой серебра толщиной около 200 А, а на нижнюю поверхность с пленкой наносится равномерный отражающий слой серебра или алюминия толщиной около 500 А. Имеющаяся ступенька при нанесении дополнительного отражающего слоя на пленку и подложку полностью сохраняется той же величины (рис. 12.17).

Толщина воздушного клина, где нанесена пленка, отличается от толщины той части клина, где пленки нет (см. рис. 12.6), как раз на толщину измеряемой пленки, вследствие чего возникают две системы интерференционных полос, расположенных рядом. Расстояние между полосами в каждой системе одинаково, но линии систем отодвинуты относительно друг друга на величину, соответствующую толщине слоя d.

Рис. 12.17. Исключение разности скачков фаз посредством напыления дополнительного слоя

Измеряя расстояние между двумя соседними полосами l и величину смещения ∆1 двух соседних полос, получающуюся за счет толщины пленки, можно определить толщину пленки d в единицах длины световой волны из соотношения

(16-9)

где d — толщина пленки;

 — длина волны монохроматического света;

l — расстояние между соседними полосами;

∆l — смещение двух соседних полос различных интерференционных систем.

Величины l и ∆l легко определяются с помощью окулярного микрометра. На рис. 12.18 показана блок-схема установки для определения толщины тонких пленок с помощью рассмотренного метода.

Этот метод, получивший название многолучевой интерферометрии был разработан Толанским. Поскольку точность определения толщины пленки пропорциональна точности измерения расстояния между полосами, т. е. определяется в основном точностью замера относительно смещения ∆l/l, то точность метода повышается с увеличением резкости интерференционной картины. Толанский подробно изучил причины, влияющие на условия получения резких полос интерференционной картины, и установил, что поверхности клина должны быть покрыты пленкой с большим коэффициентом отражения и малым коэффициентом поглощения; кроме того, пленка должна быть однородна по всей поверхности образца и иметь четко выраженный контур ступеньки; воздушная прослойка между образцом с пленкой и пробным стеклом должна быть как можно меньше (ее величина подбирается опытным путем при настройке прибора); угол отклонения светового пучка от параллельности должен быть меньше 3°; падение света на клин должно быть нормальным.

Рис. 12.18. Блок-схема оптической установки для измерения толщины тонких пленок методом полос равной толщины:

1 — монохроматический источник света (например, натриевая лампа); 2 — конденсатор; 3 — диафрагма; 4 — коллиматор; 5 —фильтр; 6 — стеклянная светоделительная пластина с полупрозрачным покрытием; 7 — клин; 8 — полупрозрачная серебряная пленка; 9 — непрозрачная серебряная пленка; 10 — измеряемая пленка; и — микроскоп; 12 — интерференционная картина, наблюдаемая в окуляр микроскопа: смещение полос равной толщины

Соблюдение этих условий дает возможность получить в монохроматическом свете очень резкие интерференционные минимумы на светлом фоне. Погрешности, возникающие при измерении толщины пленок методом многолучевой интерферометрии, как показал Хевенс, в основном вызываются неровностями и волнистостью поверхностей, на которых конденсируется пленка, а также пренебрежением дисперсией фазового скачка.

К преимуществам рассмотренного метода следует отнести: 1. Метод полос равной толщины позволяет определить толщину любых пленок: металлических, диэлектрических и т. д. — в пределах от 40 до 2 000 Å.

2. Точность измерения данного метода составляет' примерно 20-30 Å.

3. Метод отличается простотой процесса измерения и расчета толщины готовых пленок.

Недостатки метода:

1. Невозможность контроля толщины пленки в процессе напыления.

2. Необходимость изготовления ступеньки и напыления дополнительного слоя серебра или алюминия.

3. Невозможность использования измеряемой пленки для каких-либо дальнейших исследований.

Учитывая последнее обстоятельство, целесообразно одновременно изготавливать два образца измеряемого слоя, располагая их на одинаковом расстоянии от испарителя. Один образец со ступенькой, так называемый «свидетель», предназначается для непосредственного измерения толщины, а другой — для проведения дальнейших исследований.

Интерференционный метод полос равного хроматического порядка. Одной из разновидностей интерференционного метода является метод полос равного хроматического порядка, который отличается от предыдущего метода тем, что вместо монохроматического источника света здесь используется источник белого света, а интерференция наблюдается от параллельно расположенных пластин с тонким воздушным зазором. Вся подготовка пластин к измерению производится так же, как и в рассмотренном выше методе: пленка должна иметь ступеньку, а пластины покрываются отражающими слоями серебра или алюминия. Использование источника белого света во много раз увеличивает четкость линий интерференционной картины и разрешающую способность. Схема установки, использующей этот метод для измерения толщин, рассмотрена в литературе. Для получения линий равного хроматического порядка можно использовать и клин, как это было сделано раньше (рис. 12.16). В литературе рассматривается применение универсального монохроматора УМ-2 со специально разработанной для измерения толщин пленок приставкой.

Этот метод применим для измерения толщин ≤/2, но, вообще говоря, применяя универсальный монохроматор УМ-2 с приставкой, можно измерять толщину пленок металла, полупроводников, диэлектриков в интервале от 80 до 50 000 Å. Применив другой прибор Иси-67, можно довести нижний предел измерения до 40 Å. Точность метода достигает 5 Å.

Фотоэлектрический метод. Этот метод можно использовать для контроля толщины металлических, полупроводниковых и диэлектрических поглощающих, прозрачных и полупрозрачных пленок, на прозрачных и полупрозрачных, поглощающих и слабо поглощающих подложках.

Для измерения толщин пленок этим методом в случае непрозрачных подложек рядом с такой подложкой ставится стеклянная, на которой и производится измерение. Сущность метода заключается в следующем.

Узкий пучок белого света, направленный нормально к поверхности пленки, проходит сквозь нее и попадает на фотоэлемент. С увеличением толщины пленки интенсивность проходящего света уменьшается. Пропорционально уменьшению светового потока уменьшается и фототок _в цепи фотоэлемента. На выходе фотоэлемента имеется чувствительный прибор (гальванометр или отсчетное устройство), который регистрирует всякие изменения фототока.

Измерив толщины пленок другим способом (например, интерференционным), можно построить график зависимости фототока от толщины пленки для различных материалов или провести градуировку шкалы гальванометра в ангстремах, тогда прибор будет непосредственно показывать толщину пленки.

В том случае, когда толщина измеряемой пленки такова, что она поглощает весь падающий на нее свет и фотоэлемент не реагирует, можно воспользоваться следующим примером. В камере, где производится испарение, вместе с подложкой, предназначенной для конденсации пленки, устанавливают вторую подложку — «свидетель» (для получения контрольного слоя), но на другом расстоянии от испарителя (рис. 12.19).

Рис. 12.19. Взаимное расположение измеряемой пленки и «свидетеля» в вакуумной камере

Причем расстояние от контрольной подложки до источника испарения можно подобрать так, чтобы пленка «свидетеля» была достаточно прозрачной для света и обеспечивала устойчивую работу фотоэлемента. Кроме того, известно, что количество вещества, осажденного на подложку в течение определенного времени, обратно пропорционально квадрату расстояния от подложки до источника испарения, поэтому толщина слоя также обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника испарения. Исходя из этого толщина измеряемого слоя может быть рассчитана из соотношения

(16-20)

Однако следует заметить, что зависимость от квадрата расстояния строго справедлива лишь для точечного испарителя, обусловливающего распределение испаряемого вещества по сфере. Помимо этого, при такой оценке толщины предполагается, что плотность осажденного материала не зависит от толщины слоя. Рассмотренный метод позволяет измерять толщину готовых пленок и производить контроль толщины в процессе конденсации непосредственно в вакуумной камере. Схема установки для такого контроля показана на рис. 12.20.

Рис. 12.20. Контроль толщины пленки в процессе ее получения

Налаживая измерение непосредственно в вакуумной камере, всегда следует помнить, что оптика измерительной установки должна быть хорошо заэкранирована от попадания рассеянных молекул пара конденсата. Для того чтобы не допускать грубых ошибок при измерении толщины тонких металлических пленок этим методом, необходимо учесть следующее:

1. В процессе измерения свет должен падать на пленку перпендикулярно.

2. Условия испарения и конденсации должны поддерживаться неизменными.

3. При смене испаряемого материала и изменении технологического режима градуировку необходимо производить заново.

Определение толщины металлических пленок с помощью этого метода ограничено сравнительно малыми величинами, порядка нескольких сотен ангстрем, так как при больших толщинах большинство металлов имеет очень малый коэффициент пропускания в видимом участке спектра, что значительно снижает точность метода. Так, большинство металлических пленок непрозрачно уже при толщине слоя ~ 500—1 000 Å.

Описанный метод не дает высокой точности измерения, но отличается простотой и несложностью применяемых для этого приборов.

Фотометрический метод. Изменение интенсивности светового потока, проходящего через пленку, лежит в основе другого, так называемого фотометрического метода. В этом методе проходящий через полупрозрачную пленку поток видимого света регистрируется микрофотометром, с помощью которого оценивается зависимость степени почернения пластины от толщины слоя конденсата. По данным эксперимента строят график зависимости почернения от толщины пленки и затем используют его для определения толщины пленок, полученных при тех же технологических условиях. Метод позволяет измерять не только толщину, но и судить о распределении плотности конденсата по поверхности подложки.

Преимущества и недостатки метода такие же, как и в рассмотренном фотоэлектрическом методе.

Рассмотренная методика определения толщины полупрозрачных пленок по прохождению видимого света принципиально применима для контроля непрозрачных пленок с помощью более жесткого невидимого излучения — рентгеновского и радиоактивного, где источниками излучения являются рентгеновская трубка и радиоактивные изотопы (β- или -излучения, а приемниками, регистрирующими изменение интенсивности при прохождении через пленку, являются счетчик Гейгера-Мюллера или сцинтилляционный счетчик.

Использование рентгеновских лучей для определения толщин. Применяя рентгеновские лучи для контроля толщины по изменению интенсивности проходящего пучка лучей, следует учитывать их большую проникающую способность, чем видимого света. В случае тонких пленок изменение интенсивности при прохождении через тонкую пленку будет очень незначительно и его трудно будет обнаружить. По этой причине контроль толщины с помощью проходящего через пленку пучка нормально падающих рентгеновских лучей не применяется для пленок, толщина которых составляет меньше 1% от толщины подложки, и методика измерения несколько изменяется.

Источник рентгеновских лучей и счетчик Гейгера-Мюллера располагают по одну сторону от исследуемой пленки. Рентгеновские лучи от источника попадают на пленку под некоторым углом, проходят через нее, отражаются от подложки и еще раз пронизывают пленку перед попаданием на счетчик.

Этим достигается заметное поглощение рентгеновских лучей пленкой. Кроме того, это поглощение можно еще увеличить, если уменьшить угол наклона рентгеновских лучей по отношению к поверхности пленки. Толщина пленки в этом случае определяется из уравнения

где I₀ — интенсивность лучей, отраженных от непокрытой подложки;

I — интенсивность лучей, отраженных от подложки, покрытой пленкой;

d — толщина пленки;

к — коэффициент поглощения;

ρ'— плотность пленки;

— угол наклона пучка рентгеновских лучей по отношению к пленке.

Диапазон измеряемых этим методом толщин от 1 000 Å до 100 мкм.

Радиометрический метод. В этом случае для измерения толщин пленок можно использовать явление мягкого тормозного и характеристического рентгеновского излучения, вызванного радиоактивными изотопами; явление обратного рассеяния β-лучей, так как интенсивность обратного рассеяния радиации является функцией толщины обратно рассеивающего материала; явление активации измеряемой пленки под действием какого-либо вида радиоактивного облучения.

В последнем случае толщина пленки определяется из соотношения активностей пленки и контрольного образца известной толщины из того же материала, подвергнутых одинаковому и одновременному облучению, т. е.

(12.21)

(12.22)

где  — поправка на самопоглощение наведенной активности.

Для радиометрического метода характерным является простота источников излучения, широкий диапазон измеряемых толщин, возможность контроля пленки без ее разрушения. Однако наряду с этим метод имеет ряд ограничений: необходимость иметь радиоактивные изотопы с достаточно большим периодом полураспада и определенной активности; необходимость иметь изотопы, обладающие различными энергиями; из большого числа известных радиоактивных изотопов лишь немногие можно использовать как источники излучения в радиационном методе. Помимо всего, радиационный метод можно применять далеко не во всех случаях, так как для этого существует целый ряд условностей.

Механический метод определения толщины пленки. Механический метод основан на измерении вертикального перемещения щупа с алмазным наконечником, который приводится поочередно в соприкосновение с подложкой, а затем с пленкой, нанесенной на эту подложку. По величине перемещения щупа судят о толщине полученной пленки.

Вследствие того, что толщина пленки очень мала, величину перемещения щупа измерить довольно трудно, поэтому для усиления разбаланса используются различные приспособления. Так, в толщиномере, предложенном Аббе, вертикальный стержень с алмазным наконечником своей верхней части переходит в стеклянную масштабную линейку, а для отсчета делений на линейке прибор снабжен 50-кратным микроскопом с окулярным микрометром, позволяющим определить сдвиг до 0,1 мк.

Наиболее перспективным из механических методов является профилографический (щуповой) метод с использованием приборов профилографов. Профилограф — это щуповой прибор, служащий для записи неровностей поверхности в виде профилограммы и позволяющий измерить высоту этих неровностей, поэтому ею можно использовать для измерения толщины тонких пленок. При измерении толщины этим методом пленка наносится на подложку в виде ступеньки, затем ее помещают на горизонтальный стол прибора, устанавливают на нее алмазный щуп и приводят его в движение. По мере перемещения щупа механические колебания алмазной иглы, повторяющей все неровности поверхности, преобразуются в электрические, которые усиливаются и подаются на самописец с электротермической записью, вычерчивающий профилограмму.

По разности уровней профилограмм пленки и подложки, которая возникает вследствие имеющейся ступеньки, определяется толщина пленки. Широкое применение этого метода в технике измерения толщин тонких пленок долгое время сдерживалось тем, что профилографы высокой чувствительности представляли собой весьма сложный, дорогой и громоздкий прибор, например профилограф-профилометр завода «Калибр» — ВЗИ.

С появлением более компактного высокоточного профилографа-профилометра блочной конструкции модели 201 завода «Калибр» этот метод заслуживает должного внимания, ибо на этом приборе достигается вертикальное увеличение смещения в 2 10⁵ раз, что дает возможность измерять пленки очень малой толщины. Вообще говоря, профилографический метод позволяет измерять толщины пленок от нескольких десятков ангстрем до десятков и даже сотен микрон. К преимуществу механического метода следует отнести возможность измерения толщин металлических, диэлектрических и полупроводниковых пленок. Однако, пользуясь этим методом, следует помнить, что существенным недостатком его является неизбежное давление щупа на поверхность измеряемого слоя, вследствие чего щуп может частично углубиться в слой, а это приведет к значительной ошибке в измерении.

По этой причине метод становится совершенно непригодным для мягких материалов, у которых даже небольшое давление щупа вызывает значительную деформацию поверхности.

Определение толщины пленок методом взвешивания. Одним из наиболее простых методов определения толщин слоя тонких пленок является весовой метод, описанный в литературе.

Сущность метода заключается в определении массы конденсируемой пленки путем взвешивания подложки, на которую наносится слой до и после эксперимента, и расчете толщины пленки по формуле

, (12.23)

где m — масса пленки;

ρ — плотность вещества пленки;

S — площадь пленки;

d — толщина пленки.

Выражение (12.23) предполагает равномерное распределение конденсата по поверхности подложки и равенство плотности полученной пленки и исходного материала. Однако формула (12.23) может быть использована лишь с известным приближением, потому что, во-первых, реальная площадь, занимаемая пленкой, как правило, не соответствует видимой площади (в большинстве случаев реальная площадь оказывается больше измеряемой площади). Во-вторых, плотность очень тонких пленок при определенных условиях получения оказывается значительно меньше плотности исходных материалов, из которых они напыляются, вследствие зернистой или пористой структуры, а надежных способов непосредственного определения истинной плотности полученных пленок в настоящее время не существует. Как показывают электронографические исследования, пленки, полученные с большой скоростью конденсации испаряемого вещества (100 Å /сек), начиная с толщины 150 Å, не имеют зернистой структуры, а их плотность почти такая же, как у исходного материала. Поэтому рассмотренный метод в этом случае может быть с успехом использован. Пленки, полученные при малых скоростях конденсации (~1—10 Å /мин), имеют зернистую структуру до толщины 400—500 Å, и, следовательно, описываемый метод в этом случае дает приближенные результаты.

Точность метода значительно повышается, если воспользоваться высокочувствительными микровесами, расположенными в вакуумной камере, где происходит испарение. Это позволяет избежать искажения результата, вносимого за счет адсорбции пленкой газов и паров после соприкосновения ее с атмосферой.

Сконструированные в настоящее время крутильные микровесы с точностью 10^-8 г позволяют определить вес моноатомной пленки на площади в 1 см². Кварцевые микровесы для экспериментальных исследований тонких пленок описаны в литературе, а устройство и работа усовершенствованных кварцевых крутильных микровесов для работы в сверхвысоком вакууме (10^-9 мм рт. ст.) также подробно рассматриваются в литературе.

Метод кварцевого вибратора (радиочастотный метод). Метод кварцевого вибратора подробно рассмотрен в литературе. Сущность метода заключается в следующем. При конденсации вещества на кварц, включенный в схему генератора, его масса изменяется, что приводит к изменению собственной частоты колебаний кварца. Кроме того, установлено, что изменение собственной резонансной частоты кварца пропорционально изменению массы:

(12.24)

где f — собственная частота колебаний кварцевого резонатора;

т — масса кварца;

f — изменение (уход) резонансной частоты;

m — масса пленки.

Воспользовавшись формулой (12.23), после несложных преобразований выражений (12.23) и (12.24) получим соотношение

(12.25)

Величины т, f, s можно считать постоянными. Что касается ρ', то лишь для области очень малых толщин оно будет отклонено от линейной зависимости. Обоснование этого вывода для металлических пленок, например, подтверждено практически. В приборах, основанных на этом методе, контроль толщины пленки в процессе ее напыления производится по уходу собственной частоты колебаний кварца или по расстройке частоты двух генераторов, стабилизированных кварцем. Если прибор состоит из двух кварцевых генераторов, то перед началом напыления пленки генераторы настраиваются на одинаковую частоту. В камеру, где производится напыление, рядом с образцом помещается кварцевая пластинка одного из генераторов (рис. 12.21).

По мере конденсации пленки частота кварца, находящегося в камере, будет изменяться, в то время как частота второго генератора остается неизменной. Сигналы с обоих генераторов попадают на смеситель. Выделяемая разностная частота f на выходе усиливается и измеряется частотомером, шкала которого может быть отградуирована в ангстремах.

Для измерения очень тонких пленок необходим прибор с большой чувствительностью и высокой рабочей частотой. Если требуется производить измерение пленок в широком диапазоне толщин, то выбирают кварц с относительно низкой рабочей частотой. Используемая радиотехническая аппаратура дает возможность на рабочей частоте около 20 гц получить чувствительность при измерении толщины металлических пленок 10^-9 г/см².

Кварцевый измеритель толщины пленок КИТ-1 позволяет измерять толщину тонких металлических, диэлектрических и полупроводниковых пленок непосредственно в вакуумной камере в процессе конденсации. Диапазон измеряемых толщин пленок от 100 до 50 000 Å. Точность измерения ±10% (в диапазоне 1 000-50 000 Å).

Рис. 12.21. Контролируемая пленка и кварцевый датчик в вакуумной камере:

1 — источник напыления; 2 — маска подложки; 3 — подложка с напыляемой пленкой; 4 — корпус датчика; 5 — кварцевая пластина; 6 — ввод в камеру; 7 — фланец камеры

Не меняя кварца, можно производить измерения 6—8 сеансов конденсации. Для повторного использования кварца напыленное вещество легко удаляется растворением в кислоте либо путем обработки тонким абразивным порошком.

В процессе конденсации пленки кварцевая пластина нагревается. Этот нагрев может привести к паразитному уходу частоты кварца и внести погрешность в измерение. Поэтому с целью термостатирования кварцевого датчика его держатель во время работы охлаждается проточной водой.

Кроме того, при подборе кварца для измерения толщины следует обращать внимание на температурный коэффициент частоты, который зависит от типа среза кварцевой пластины и ее геометрических размеров. Лучшим в этом отношении считается АТ-срез — кристалл кварца, срезанный под углом 35°10' к оси Z, обладающий минимальным и мало меняющимся температурным коэффициентом. Одним из существенных недостатков метода является необходимость предварительной градуировки прибора каждый раз при смене напыляемого вещества или изменении режима напыления.

Тем не менее этот метод имеет очевидные преимущества:

1. Возможность контроля толщины слоя в процессе его напыления.

2. Значительный диапазон измеряемых толщин от 100 до 50 000 Å.

3. Отпадает необходимость изготовления образцов — «свидетелей» при измерении толщины.

4. Универсальность метода — применяемость для различных материалов.

5. Высокая чувствительность, доходящая до 3—5 Å.

Электромагнитный метод (метод вихревых токов). Метод вихревых токов может быть применен для измерения толщины металлических покрытий на диэлектрических, а также металлических подложках, если существует разница в электрических и магнитных свойствах материала пленки и подложки, причем чем больше разница в электрических и магнитных свойствах пленки и материала подложки, тем легче и точнее можно произвести измерение. Сущность метода заключается в следующем. При прохождении по катушке переменного тока вокруг катушки возникает переменное магнитное поле. Если в это поле поместить металлическое изделие, то в последнем индуктируется электродвижущая сила и появляются так называемые вихревые токи. Следует заметить, что для этих целей лучше использовать ток высокой частоты. Согласно правилу Ленца вихревыми токами создается магнитный поток, направленный в противоположную сторону основному магнитному потоку. Поэтому магнитное поле вихревых токов снижает импеданс катушки-датчика, что в свою очередь вызывает изменение тока в катушке. Точнее, если учесть, что вихревые токи — это переменные токи высокой частоты, при которых возникает явление поверхностного эффекта — скин-эффекта, что изменения, вносимые вихревыми токами, позволяют судить о свойствах поверхностных слоев. Так, по изменению тока в катушке можно судить о толщине слоя металла на непроводящей подложке, а то обстоятельство, что ток в катушке зависит от расстояния между металлической поверхностью и катушкой, позволяет изменить метод для контроля толщины лакокрасочных и других неэлектропроводящих покрытий. Далее, принимая во внимание проникновение электромагнитного поля в глубь проводника, следует учесть, что электромагнитное поле и возбужденные им вихревые токи затухают с проникновением в глубь изделия, а амплитуды электрического и магнитного полей имеют наибольшее значение у поверхности тел из проводящего материала. Глубину проникновения вихревых токов можно определить по формуле

(12.26)

где Н — глубина проникновения тока;

к — постоянный коэффициент;

ρ — удельное сопротивление материала изделия;

μ— магнитная проницаемость;

f — частота тока.

Как видно из формулы (12.26), с увеличением частоты тока уменьшается глубина проникновения вихревых токов. Поэтому рабочая частота генератора при измерении толщины покрытия выбирается в зависимости от наибольшей толщины покрытия с учетом электропроводности и магнитной проницаемости изделия. Иначе метод вихревых токов называют электроиндуктивным методом, так как рассмотренные явления возникновения вихревых токов аналогичны явлениям в индуктивно связанных контурах с той лишь разницей, что вместо вторичной катушки к первичной катушке-датчику подносится деталь с контролируемым металлическим слоем на поверхности, который можно рассматривать как вторичную катушку. Описанный выше принцип лежит в основе устройства прибора ТПО-8, разработанного в Ленинградском институте точной механики и оптики (ЛИТМО). Прибор контроля толщины гальванических и лакокрасочных покрытий. Диапазон измерения металлических покрытий на ферромагнитной основе от 0 до 30 мкм. Погрешность измерения при контроле пленок толщиной до 15 мкм не более 5%, а выше 15 мкм — не более 8%. На рис. 12.22 изображена схема измерения толщины покрытия методом вихревых токов.

Рис. 12.22. Схема измерения толщины покрытия методом вихревых токов:

Д — катушка датчика, на которую подается напряжение высокой часто ты; С — емкость, служащая для настройки катушки в резонанс с по даваемым напряжением;

и — индикатор тока; d — толщина измеряемой пленки

Измерение толщины покрытия производится следующим образом. Переменное напряжение высокой частоты подается на вход измерительной схемы (рис. 12.23).

Рис. 12.23. Принцип работы прибора ТПО-8

Ток проходит через диоды П₁ и П₂, которые включены навстречу друг другу. Каждый диод пропускает только один полупериод тока. Последовательно с диодом П₁ включена катушка Д, которая настроена на частоту генерируемого тока и является выносным датчиком. Для измерения толщины покрытия катушку сначала помещают на деталь без покрытия и стрелку индикатора устанавливают на нуль. Нулевое значение тока на индикаторе И устанавливается переменным сопротивлением R. Затем датчик помещают на деталь с покрытием и по отклонению стрелки индикатора определяют относительную величину толщины покрытия.

При определении толщины однотипных пленок строят соответствующую градуированную кривую (рис. 12.24), пользуясь эталонными образцами, толщина которых измерена другим способом.

Рис. 12.24. Градуированная кривая для медных покрытий на ферромагнитных деталях

Чем больше калибровочных образцов используется для построения градуированной кривой, тем точнее градуированная кривая зависимости показания индикатора от толщины контролируемого слоя.

Используя метод вихревых токов, следует учитывать, что величина вихревых токов в металле зависит от многих факторов и в первую очередь от таких, как:

1. электропроводность и магнитная проницаемость металлов;

2. размеры и формы испытываемого изделия;

3. расстояние (зазор) между катушкой и материалом.

В свою очередь электропроводность и магнитная проницаемость зависят от химического состава металла, его структурного состояния и т. д. Серьезным фактором являются нарушений сплошности, которые служат препятствием для вихревых токов.

Принимая во внимание вышеприведенные обстоятельства, следует заметить, что хотя по техническим характеристикам прибора ТПО-8 нижний предел измеряемых толщин указан от нуля, остается неясной возможность точного измерения малых толщин пленок, порядка десятков, а также и сотен ангстрем, описанным методом. Правда, следует отметить, что в литературе появились сведения о приборах, основанных на принципе вихревых токов, позволяющих измерять толщину металлических покрытий на изоляционных материалах и толщину покрытий из хорошо проводящих металлов на металлах с худшей проводимостью в диапазоне от 300 до 6 000 Å. Однако на сегодняшний день этот метод в основном применяется для определения больших толщин защитных покрытий, причем его можно считать наиболее перспективным и надежным экспресс -методом в производственных условиях при измерении толщин, начиная примерно от 1 000 Å до нескольких микрон.

Анализ свойств и выбор материалов для подложек при изготовлении микросхем

Кроме технологических параметров процесса напыления, таких, как: абсолютное давление и состав остаточных газов в камере, состав испаряемого материала, скорость и время осаждения, температура испарителя, термостабилизация, особо следует выделить параметры, непосредственно относящиеся к подложке:

1. Материал подложки.

2 Степень очистки поверхности.

3. Микрорельеф рабочей поверхности подложки.

4. Совместимость свойств материала подложки и напыляемого вещества.

5. Температура подложки во время осаждения.

В качестве подложки для микросхем могут быть использованы такие материалы, как: стекла, кварц, ситаллы, фотоситаллы, керамические материалы, в том числе глазурованные, керметы, монокристаллы, слюды, органические материалы, органические пленки, металлы, покрытые изоляционной пленкой, и др.

Высокий класс чистоты обработки поверхности необходим, во-первых, для обеспечения однородности и воспроизводимости параметров пленки, во-вторых, для получения прочной пленки, что особенно трудно при толщинах в сотни ангстрем. Очевидно, что высота микронеровностей поверхности подложки должна быть меньше толщины наносимой пленки.

Электропроводность материалов подложки должна быть низкой для уменьшения потерь в тонкопленочных схемах.

Электропроводность стекла и керамических материалов в сильной мере зависит от содержания щелочей, что в свою очередь определяет коррозиоустойчивость подложки. Удельная электропроводность подложки, слагаемая из объемной и поверхностной составляющих, определяется прежде всего второй составляющей. Поверхностная проводимость особенно сильно заметна в условиях влажной среды. Считается, что в материалах с содержанием натрия более 4% наблюдается заметная миграция ионов натрия к поверхности. Образуя с адсорбированной влагой электролит, ионы приобретают способность легко перемещаться под воздействием электрического поля, вследствие чего возрастает поверхностная удельная проводимость, и создаются благоприятные условия для коррозии осажденных на подложку пленок.

Теплопроводность через подложку является основным способом рассеяния тепла и снижения температуры резистивной пленки. Поэтому хорошая теплопроводность подложки необходима для рассеяния большой мощности.

Так, например, кварц, стекло, ситаллы при высокой чистоте поверхности (микронеровности 10—100 Å) обладают низкой теплопроводностью.

Керамика, напротив, обладая высокой теплопроводностью, имеет микронеровности величиной до 5 10⁺³—5 10⁺⁴ Å.

Этот недостаток отсутствует у глазурованной керамики (высота микронеровностей до 300 Å).

Подложки из органических. материалов имеют низкую теплопроводность, малую твердость, низкую термостойкость.

Они применяются при изготовлении тонкопленочных переменных подстроечных резисторов. Металлические подложки, обладая, хорошей теплопроводностью, позволяют повысить уровень рассеиваемой мощности, однако они требуют предварительной изоляции рабочей поверхности.

В качестве материала для подложек может быть применен сапфир, так как он обладает большой твердостью, теплостойкостью, сравнительно высокой теплопроводностью (80  10^-3 кал/см сек град), хорошо полируется.

При изготовлении тонкопленочных радиоэлектронных микросхем и компонентов в качестве подложек используются жесткие изоляционные материалы.

Выше были сформулированы основные требования к подложкам. Однако подложку характеризует еще целый ряд свойств, наиболее важными из которых являются: характер поверхности, химический состав, стабильность, твердость, теплопроводность, электропроводность. Менее существенны такие свойства, как максимально допустимая рабочая температура, пористость и способность к формовке. Существенное значение имеет коэффициент термического расширения материала подложки, который должен согласовываться с КТР наносимого резистивного материала. Химические свойства подложек должны обеспечивать возможность проведения процессов очистки, травления и надежную работу приборов в неблагоприятных климатических условиях. Также необходимо, чтобы воздействие температурных и электрических градиентов не вызывало в подложке ионный ток.

В качестве материала подложек при изготовлении тонкопленочных элементов и схем чаще всего используются стекла.

Следует воздерживаться от применения в качестве материала подложки щелочных стекол, так как щелочные стекла обладают высокой ионной проводимостью. Ионы натрия, мигрируя по поверхности подложки, реагируют с материалом тонкой пленки, что приводит к ухудшению параметров и старению приборов. Повышение температуры усиливает процесс миграции.

Подавление ионной проводимости возможно в силикатных и боратных стеклах с добавкой ионов кальция и бария.

Лучшими из стекол для подложек являются бесщелочные алюмосиликатные и боросиликатные сорта. В условиях повышенной температуры предпочтительнее использовать кварц или кварцевые стекла, например пирекс и викор.

Эти стекла являются одними из немногих типов стекол, на которые не влияют пары воды (влажность). Остальные же стекла, даже частично боросиликатные, расстекловываются. В контакте с водой на их поверхности образуются кристаллы металлических силикатов.

Для изготовления гибридных микросхем применяются стекла С-48-3 и С-41-1. Основными недостатками стеклянных подложек являются их низкая теплопроводность и сложность их механической обработки.

Применение в микроэлектронике находят новые твердые изоляционные материалы — ситаллы и фотоситаллы.

Ситалл — это кристаллическое стекло, в процессе получения которого добавляется одно или несколько специальных веществ, способных образовывать зародыши кристаллизации. Микрокристаллы образуются в процессе термообработки при высокой температуре, например при Т = 980° С. Подбирая температуру обработки и химический состав, можно получать стеклокристаллические материалы с большим разнообразием свойств.

Ситаллы, как и стекла, обладают рядом положительных качеств: они непористы, газонепроницаемы, обладают нулевым влагопоглощением (не увеличивают веса после длительного хранения в воде).

Кислотоустойчивость большинства ситаллов примерно такая же, как у боросиликатного стекла, а устойчивость к действию щелочей более высокая.

Теплопроводность ситаллов в среднем несколько выше теплопроводности стекол, а отдельные ситаллы, различные марки пирокерамов имеют теплопроводность в 3—4 раза выше, чем у боросиликатного стекла. Значение теплопроводности зависит от химического состава ситаллов.

Следует отметить, что теплопроводность ситаллов слабо меняется с изменением температуры, в то время как теплопроводность стекол с повышением температуры увеличивается, а у непористой керамики — уменьшается. Коэффициент термического расширения ситаллов можно варьировать в более широких пределах, чем у стекол и керамики. Коэффициент термического расширения различных марок ситаллов может меняться от отрицательной величины до +120 10^-7град^-1. Температура размягчения ситаллов находится в пределах 1 000—1 350° С, а термостойкость сравнима с термостойкостью кварца. Например, пластины пирокерама не разрушаются при резком охлаждении от +900° С погружением в воду с температурой +5° С.

Ситаллы являются электроизоляторами и по своим электроизоляционным свойствам сравнимы с лучшими керамическими диэлектриками, а электрическая прочность их сравнима с электрической прочностью стекол.

Заслуживают внимания хорошие механические свойства ситаллов при их относительно невысокой плотности — 2,40— 2,72 кг/сж³. Ситаллы в несколько раз (в 2—3 раза) прочнее стекла, прочнее большинства керамических материалов и некоторых металлов. Их прочность на изгиб может достигать 2500— 5 600 кг/см², т. е. превышает прочность нержавеющей стали и титана.

Плотная микрокристаллическая структура ситаллов обеспечивает им твердость при вдавливании, приближающуюся к твердости закаленных сталей и превышающую твердость чугуна, плавленого кварца и стекла. Значение микротвердости сравнимо с микротвердостыо закаленной инструментальной стали. Благодаря высокой твердости ситаллы отличаются большой износоустойчивостью.

В отличие от большинства высокопрочных тугоплавких кристаллических материалов ситалл обладает хорошей текучестью при формовании. Его можно прессовать, вытягивать, выдувать, прокатывать и отливать центробежным способом. Поверхность ситалла может быть обработана до 14-го класса чистоты.

Стоимость ситалла невысока, как правило, стоимость изделий из ситалла значительно ниже подобных керамических изделий.

Фотоситалл - это стеклокристаллический материал, полу чаемый путем кристаллизации светочувствительного стекла. Фотоситалл представляет особый интерес в случае, когда подложке требуется придать сложную геометрическую форму. При нагревании рисунок проявляется, а затем травлением получают желаемую конфигурацию. Фотоситалл обладает всеми преимуществами стеклокристаллических материалов, однако наличие в его составе щелочей делает его пригодным для применения в качестве подложек микросхем.

Общим недостатком стеклокристаллических материалов является их сравнительно невысокая теплопроводность.

При изготовлении подложек находят применение всевозможные виды керамических материалов, которые выгодно отличаются от стекол и ситаллов по теплопроводности.

Керамический материал является сложной системой и содержит в себе в большинстве случаев кристаллическую, стекловидную и газовую фазы. Свойства керамики предопределяются характеристиками кристаллической фазы (диэлектрическая проницаемость, коэффициент линейного расширения, механическая прочность и т. д.).

Зависимость электрических свойств керамики от ее структуры и химического состава устанавливается прежде всего на основании значений диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь. Удельное объемное сопротивление при повышенных температурах достаточно определенно характеризует качество керамики, а значение электрической прочности характеризует качество керамики с точки зрения ее микроскопических дефектов (степень плотности черепка, отсутствие в нем закрытых пор).

Механическую прочность керамики определяют не только химический и минералогический состав материала, но и его структура. Наибольшей механической прочностью обладает керамика с плотной мелкозернистой структурой, в которой преобладает кристаллическая фаза.

Общим недостатком керамических материалов являются большая шероховатость поверхности (микронеровности 5 10³— 2 10⁴ Å) и пористость.

Для уменьшения шероховатости поверхности применяют глазурование керамических материалов тонким слоем бесщелочного стекла. Поверхность глазурованных материалов может быть получена 14-го класса чистоты, микронеровности их могут быть менее 300 Å. Слой глазури имеет толщину порядка 75—100 мкм и поэтому при малых уровнях рассеиваемой мощности не представляет теплового барьера для переноса тепла от резистивной пленки к подложке с высокой теплопроводностью. Однако при больших уровнях рассеиваемой мощности и для керамических материалов, обладающих очень высокой теплопроводностью (на пример, бериллиевая керамика), влияние глазури становится более заметным.

В микроэлектронике используют глазурованные керамические материалы на основе алунда и окиси бериллия. Так, подложки из высокоглиноземистого материала марки 22ХС, глазурованного боросиликатным стеклом, применяются при изготовлении тонкопленочных микросхем. Они удовлетворяют основным эксплуатационным требованиям, предъявляемым к приборам. Недостатком глазурованных керамических материалов является сравнительно большая волнистость поверхности, а также необходимость вводить в стекло PbO и К₂0, что может отрицательно сказаться на свойствах тонкой пленки.

Необходимый после глазурования обжиг тонких пластин толщиной 0,2—0,4 мм, размером 12x12 мм приводит к короблению и необходимости в связи с этим механической обработки, что невыгодно.

Имеются данные, указывающие на перспективность использования в качестве материала подложек керметов. Этот материал представляет интерес исходя из двух основных соображений:

а) поскольку кермет представляет собой керамический мате риал с распределенными в нем частицами металлического порошка, теплопроводность кермета может регулироваться в зависимости от количества вводимого металла в более или менее широких пределах;

б) за счет наличия в материале металлических частиц упрощаются вопросы металлизации.

Основанием для тонкопленочных резисторов может служить также кварц, который по своим свойствам близок к кварцевым стеклам, но более дорог. Хорошие прочностные свойства кварца позволяют изготовить подложки более тонкие, чем из стекла. Поверхность плавленого кварца может быть получена с плотностью 0,02 мкм/см и рельефом 10 Å. Некоторые его свойства даны ниже:

Плотность, г/см³ 2,32

Температура размягчения, °С 1 500

Коэффициент термического расширения, 1град 5

Теплопроводность, кал/см  сек  град: при 25° С . 0,0035

при 300° С 0,0042

Диэлектрическая постоянная 3,8—4,5

Удельное сопротивление, ом  см 10¹⁶

Химическая стойкость отличная

В качестве подложек могут быть использованы органические и полимерные изоляционные материалы, как-то: текстолит, гетинакс, стеклотекстолит, пластмассы, смолы и т. д.

Технология получения тонких пленок при изготовлении микросхем. Одними из основных направлений микроминиатюризации являются разработка и усовершенствование методов изготовления тонкопленочных схем, В этой области много нерешенных проблем. Например, необходимо найти способ осаждения металлов на заданную площадь основания при различной толщине слоя. В технологическом процессе изготовления тонкопленочных резисторов и конденсаторов различных номинальных значений необходимо уменьшить число производственных операций. Наиболее трудноразрешимой является проблема изготовления микроминиатюрных индуктивностей (больших номиналов) и трансформаторов. Необходимо наряду с радикально новыми формами катушек разработать соответствующие магнитные пленки и методы их массового производства.

Часто элементы, используемые для соединения узлов (штепсельные разъемы, лепестки и т. д.), занимают больший объем, чем сами узлы. В связи с этим разработаны методы соединения узлов с использованием печатного монтажа, осуществляемого вакуумным испарением.

Унификация формы и размеров микроминиатюрных плат позволяет создавать автоматическое оборудование для их изготовления. Автоматизировать производство тонкопленочных схем чрезвычайно важно с экономической точки зрения, так как высокая стоимость ручного изготовления микроминиатюрных узлов до сих пор препятствует широкому их внедрению в промышленности. При разработке технологических процессов изготовления микроминиатюрной радиоэлектронной аппаратуры необходимо учитывать возможность их применения в условиях массового производства. Ни один технологический метод нельзя считать ценным, если он неэкономичен и не может быть применен в массовом производстве.

Резисторы. Пленочные микрорезисторы изготовляют путем осаждения в вакууме пленки из резистивного материала на твердое основание. Выводы, необходимые для хорошего электрического и механического контакта с резистивной пленкой, наносят вакуумным или химическим методами. Резистивный элемент защищают пленкой диэлектрика, наносимой также вакуумным осаждением, и слоем синтетической смолы. На первых этапах освоения технологии микрорезисторов, получаемых вакуумным осаждением, считалось, что защитные пленки из фтористого магния или окиси кремния существенно улучшают электрические характеристики. Однако сама окись кремния из-за пористости не обеспечивает полной защиты пленки от воздействия атмосферных водяных паров. Поэтому в настоящее время пленки защищают от влаги, нанося на них слой лака или смолы. Использование фтористого магния может привести к разрушению резистивной пленки, если она осаждается при температуре более 300° С. Для предотвращения химических реакций между резистивной пленкой и активной смолой покрытия полезно наносить промежуточный слой одноокиси кремния. Заливка всего резистора обеспечивает надежную защиту пленки от механических и атмосферных воздействий.

Выбор материала резистора определяется требуемой величиной сопротивления. Используют материалы с высоким удельным сопротивлением и низким ТКС. Удовлетворительные резистивные пленки получают из хромоникелевого сплава (Ni 80%; Сг 20%); при более высоком сопротивлении пленка получается слишком тонкой и резко снижается ее стабильность. Для пленок с более высоким удельным сопротивлением удовлетворительные электрические характеристики дают чистый хром или хромоникелевые сплавы.

Конструкция металлопленочного резистора показана на рис. 12.25.

Наиболее удовлетворительные свойства пленки получают при осаждении сплава с одновременным его окислением. Установлено, что при повышении температуры подложек до 300° С и разрежении 510^-4 мм рт. cm. пленки из хромового сплава довольно хорошо окисляются в широком диапазоне скоростей осаждения. Осадок, вероятно, приобретает свойства полупроводника с малым температурным коэффициентом сопротивления и имеет высокую стабильность, так как дефекты структуры отсутствуют из-за высокой подвижности атомов металла при высокой температуре. Величину разрежения в вакуумной камере регулируют.

Рис. 12.25. Конструкция металлического пленочного резистора:

1 — выводы; 2 — основание; 3 — защитное покрытие; 4 — резистивная пленка

Хромоникелевые резистивные пленки можно также получать посредством сублимации (возгонки) сплава. Для этого через спираль из хромоникелевого сплава пропускают ток большой силы, пока спираль не нагреется до температуры сублимации. При этом методе скорость испарения невелика.

Количество испаряющегося металла можно определить с высокой точностью, взвешивая спираль до и после испарения. Особенно точно нужно подобрать рабочую температуру спирали во избежание ее расплавления, так как даже обычные колебания напряжения в сети могут вызвать плавление спирали или прекращение испарения. При использовании метода сублимации хром испаряется интенсивнее никеля, и получаемая пленка содержит несколько больше хрома, чем исходный материал. Испарители, где происходит предварительное плавление испаряемого материала, позволяют получать пленки с меньшим разделением компонентов.

Разработана конструкция испарителя для непрерывного испарения резистивного материала (например, хромоникелевых сплавов), в виде проволоки.

Рис. 12.26. Схема испарителя, нагреваемого электронным лучом:

1 — низкое напряжение; 2 — направляющая трубка с водяным охлаждением; 3 — механизм подачи проволоки; 4 — вольфрамовая нить; 5 — капля испаряемого материала; 6 — стойка; 7 — подставка; 8 — высокое напряжение (3 кв).

Резистивный материал нагревается в результате бомбардировки электронами, испускаемыми нагретой вольфрамовой спиралью (рис. 12.26). Эта спираль представляет собой петлю проволоки из чистого вольфрама диаметром 0,75 мм, прикрепленную к двум медным стержням диаметром 6,5 мм. Она нагревается током около 50 а. Спираль имеет отрицательный потенциал 3 кв по отношению к заземленной капле испаряемого хромоникелевого сплава. Для фокусировки пучка электронов используют сетку, потенциал которой равен потенциалу спирали (или ниже).

Резистивный материал помещают в ванночке, изготовленной из тугоплавкого материала — окиси алюминия и молибдена и установленной на подставке из нержавеющей стали. В верхней части ванночки имеется углубление, где находится капля хромоникелевого сплава.

По мере испарения материала капля расплава пополняется благодаря непрерывной подаче, хромоникелевой проволоки, которая плавится пучком электронов. Проволока подается через направляющую трубку; во избежание преждевременного плавления проволоки эта трубка охлаждается проточной водой.

Толщину осажденной пленки определяют следующим образом. В каждой партии на одно из оснований накладывают маску в виде тонкой стальной полоски для получения резкого перехода (уступа) от стекла к пленке. После осаждения хромоникелевой пленки маску удаляют и толщину пленки определяют с помощью интерферометра.

Конденсаторы. Пленочные конденсаторы можно изготовлять посредством, вакуумного осаждения двумя способами: осаждением на металлическое основание слоя диэлектрика и затем слоя проводника либо осаждением на основание из диэлектрика чередующихся слоев металла и диэлектрика.

Конденсаторы микросхем обычно изготовляют вторым способом, т. е. осаждением на основание из стекла или керамики диэлектрических и проводящих пленок. Иногда в качестве одной из обкладок используют проводник микросхемы.

Диэлектрическая пленка должна обладать следующими свойствами:

а) стабильностью физических и электрических параметров в диапазоне рабочих температур изготовляемого конденсатора;

б) высокими электрической прочностью и диэлектрической проницаемостью;

в) малым углом диэлектрических потерь;

г) равномерностью толщины, однородностью структуры и отсутствием пор в осажденной пленке.

Указанным требованиям удовлетворяют пленки двуокиси кремния, наносимые медленным испарением одноокиси кремния. Качество пленки из сульфида цинка быстро ухудшается в присутствии водяных паров; фтористый магний рекристаллизуется при температурах, близких к температуре отжига, необходимого для снятия внутренних напряжений. Полученные на этих материалах удовлетворительные результаты не устойчивы. Конденсаторы с диэлектрической пленкой из окиси кремния во избежание медленного поглощения атмосферных водяных паров и соответственного ухудшения диэлектрических свойств защищают синтетическими смолами эпоксидной группы.

Рис. 12.27. Схема пленочного конденсатора:

1 — ослабленная точка; 2 — затененный край

Для изготовления обкладок конденсаторов методом вакуумного осаждения используют золото, хром и алюминий. Наилучшим из них является хром, так как он обладает хорошей адгезией к стеклу, но, чтобы обеспечить достаточно высокую проводимость, пленка должна иметь толщину около 500 Å.

На рис. 12.27,а приведена схема конденсатора с пленками из алюминия и окиси кремния, нанесенными осаждением в вакууме на основание из стекла. Из-за острого уступа на проводящей пленке — первой обкладке — на пленке диэлектрика образуются электрические слабые участки. На рис. 12.27, б показано, как устраняют этот недостаток: для получения скоса на краю обкладки маску располагают не вплотную к основанию, а на некотором расстоянии ( 1 мм) от него.

Толстые пленки окиси кремния (более 1 000 Å ) имеют тенденцию к отслаиванию при извлечении из вакуумной камеры. Чтобы избежать этого, производят отжиг при температуре около 250° С, нагревая основание с помощью терморадиационного нагревателя перед началом процесса осаждения и поддерживая указанную температуру в течение всего процесса.

Одноокись кремния (выпускается в виде порошка или в кусках) можно испарять в лодочке открытого типа из молибдена или в закрытом тигле с решетчатой крышкой, которая препятствует выплескиванию расплавленного материала. Лодочки стандартных размеров изготовляют из фольги толщиной 0,05 и шириной 12,7 мм. Эти же лодочки можно использовать для испарения золота; алюминий лучше испарять с вольфрамовой трехжильной спирали (диаметр 0,5 мм), а хром — из корзинки, изготовленной из такой же трехжильной вольфрамовой проволоки. Для этих трех видов испарителей необходим ток 40—60 а напряжением 12 в.

Испарение одноокиси кремния производят при разрежении 1 10^-4 мм рт. ст., так как при меньшем разрежении осаждения пленка получается рыхлой, имеет пористую структуру и плохую адгезию к стеклу.

При большой скорости осаждения в пленках возникают поперечные внутренние напряжения, а при слабой адгезии к основанию наблюдается наращивание пленок. Растягивающие и сжимающие напряжения снимают отжигом, для чего в вакуумной камере должен быть установлен радиационный нагреватель.

Многослойные пленки во избежание термического удара, который может вызвать отслаивание, рекомендуется охлаждать до температуры 100° С перед впуском воздуха и извлечением из вакуумной камеры. Для получения наилучших диэлектрических характеристик пленок окиси кремния скорость осаждения не должна превышать 5 Å /сек.

Порошкообразные одноокись кремния и фтористый магний перед применением следует прокаливать на воздухе, чтобы удалить влагу. Это уменьшает разбрызгивание материала при испарении.

Контролировать толщину обкладок или диэлектриков в процессе их нанесения нет необходимости, так как испарение строго определенного материала (по весу) дает отличные результаты.

Скорость осаждения регулируют изменением величины тока, протекающего через нагреватель испарительного устройства. Особенно важно точно контролировать скорость осаждения при нанесении одноокиси кремния. Поэтому для получения требуемой скорости осаждения величины тока в нагревателе следует предварительно подобрать опытным путем.

Диэлектрическую пленку можно контролировать оптическим методом: измеряя с помощью фотометра отражение поверхностью пленки монохроматического света. Точного измерения толщины этот метод не обеспечивает, но является простым средством определения минимальной и максимальной отражательной способности, которая дискретно изменяется при каждом увеличении толщины пленки на одну четвертую часть длины световой волны.

Стандартные вакуумные камеры выпускаются со встроенными фотометрами для контроля толщины пленок окиси кремния указанным методом.

Выводные соединительные контакты изготовляют осаждением толстой пленки хромоникелевого сплава с последующим нанесением слоя меди, к которому можно припаивать мягким припоем проволочные выводы.

Конструкция приспособлений определяется формой оснований. Для плоских стеклянных оснований можно использовать неподвижное приспособление со специальными масками для нанесения каждого типа пленки. В камере можно поместить все три маски и устанавливать их в рабочую позицию с помощью механизма, управляемого извне, но это ведет к уменьшению полезной рабочей площади. При отсутствии такого механизма вполне допустима смена масок вручную с нарушением герметизации камеры.

Технологический процесс изготовления тонкопленочного конденсатора состоит из следующих операций:

а) осаждения концевых контактов — выводов из хрома; среднюю часть будущего конденсатора закрывают маской. Эта операция может выполняться как первой, так и последней;

б) осаждения нижней обкладки из хрома или алюминия. Обкладку соединяют с одним из выводов; второй вывод закрывают маской;

в) осаждения диэлектрика (одноокиси кремния). Диэлектрик перекрывает нижнюю обкладку; оба вывода закрывают маской;

г) осаждения верхней обкладки (хром или алюминий). Об кладку соединяют со вторым выводом.

Рис. 12.28. Изменение тока утечки (а) и tg  (б) в зависимости от температуры для пленок из окиси кремния

Для каждой кривой указаны толщина пленки и скорость осаждения.

Конденсаторы с диэлектриком в виде пленки окиси кремния толщиной 0,15—2 мк имеют емкость в пределах 0,01—0,001 мкф/см². Рабочее напряжение (12—60 в) зависит от толщины диэлектрика и рабочей температуры. При температурах, превышающих 200° С, величины угла диэлектрических потерь (tg  = 0,1) и тока утечки (0,5 мка/см²) обычно неприемлемы. Скорость осаждения окисного слоя оказывает заметное влияние на tg ,  (рис. 12.28, б) и ток утечки (рис. 12.28, а). В общем случае наименьшие показатели тока утечки и tg  получаются при скорости осаждения менее 5 Å /сек, но  при малых скоростях осаждения у окисных пленок оказывается меньшей, чем у окиси кремния в куске. Это объясняется в известной мере меньшей плотностью пленок.

Готовые пленочные конденсаторы могут иметь довольно высокую проводимость из-за точечных неоднородностей или других микроскопических дефектов в диэлектрике. Эти дефекты легко устранить «прожиганием» конденсатора , для чего на него разряжают предварительно заряженный до напряжения 100 в. бумажный конденсатор емкостью 4 мкф. При этом на верхней обкладке пленочного конденсатора в зоне точечного дефекта диэлектрика происходит выгорание пленки (как и в металлизированных бумажных конденсаторах, обладающих способностью самовосстанавливаться после пробоя).

Изготовление тонкопленочных схем. Микросхемы, как уже было сказано, представляют собой сочетание пленочных схемных элементов и соединительных проводников, нанесенных на общее основание из диэлектрика. В качестве примера на рис. 12.29 представлены конструктивное оформление мультивибратора на транзисторах в пленочном исполнении и его принципиальная схема. В качестве оснований для изготовления мультивибратора используют квадратную пластинку из стекла со стороной 25,4 мм и толщиной 1,6 мм. Осаждение схемы производят в несколько этапов. Первый этап — осаждение четырех резисторов (из сплава хрома и кремния), после чего производят осаждение нижних обкладок обоих конденсаторов с одновременным получением некоторых соединительных проводников (толстый слой хромоникелевого сплава). Затем следует нанесение диэлектрической пленки одноокиси кремния на нижние обкладки конденсаторов. Заключительный этап — нанесение верхних обкладок конденсаторов и оставшихся соединительных проводников. В соответствующих точках схемы наносят толстые пленки меди, котрые служат для подключения к схеме транзисторов и источника питания.

Сведения о материалах, применяемых для изготовления конденсаторов и резисторов, приведены выше. В данном случае для резистивных пленок используется сплав хрома с кремнием, так как требуется получить сравнительно большие сопротивления при довольно большой толщине пленки. Размеры резисторов — длина 14,2 и ширина 1,2 мм. Эту же пленку используют для резисторов с сопротивлением 1 ком (длина 6,5 и ширина 4,8 мм). В испаритель загружается смесь порошков, состоящая из равных по объему частей хрома и кремния (или его одноокиси).

Рис. 12.29. Конструктивное оформление мультивибратора на транзисторах в пленочном исполнении (а) и его принципиальная схема (б)

Для нанесения обкладок конденсаторов обычно применяют алюминий, но в данном случае для упрощения процесса используется тот же хромоникелевый сплав (Сг 20%, Ni 80%), который применяли для нанесения соединительных проводников схемы (при достаточно большой толщине пленки этот сплав позволяет получить малое сопротивление — менее 1 ом/см²), т. е. он пригоден для нанесения соединительных проводников; в большинстве случаев этим сопротивлением можно пренебречь.

Диэлектрические прокладки конденсаторов изготовляют нанесением одноокиси кремния, которую (с использованием соответствующих масок) наносят также поверх пленочных резисторов как дополнительный защитный слой перед покрытием смолой или лаком.

Контроль сопротивления резистивной пленки осуществляют по специальному контрольному образцу; по достижении требуемой величины Сопротивления испаритель закрывают крышкой, чтобы прекратить осаждение. После нанесения резисторов наносят нижние обкладки конденсаторов и соединительные проводники из хромоникелевого сплава толщиной 500—1 000 Å. При выполнении обеих операций температуру оснований поддерживают около 300° С, а разрежение в камере 10^-4 мм рт. ст.

Диэлектрик наносят из одноокиси кремния при скорости осаждения 5 Å /сек; остаточное давление 0,1 мм рт. ст. поддерживают с помощью игольчатого клапана. Основания нагревают до 250° С. Установлено, что скорость осаждения сильно зависит от величины тока, протекающего через испаритель, которая подбирается опытным путем.

Верхние обкладки конденсаторов и оставшиеся соединительные проводники из хромоникелевого сплава осаждают одновременно через соответствующую маску. Процесс заканчивается нанесением толстого медного слоя на выводные контакты, к которым припаивают проволочные выводы.